Основы экологии

ЛИСТВЕННЫЕ ДЕРЕВЬЯ - ЧЕРВИ - ГРИБЫ.

Трофические сети. В реальных природных экосистемах, включающих большое число видов организмов, функционируют и большое количество трофических цепей, причем некоторые виды участвуют одновременно в нескольких различных цепях питания, т е некоторые цепи образуют общие уровни. Комбинации различных трофических цепей, имеющих общие уровни в экосистеме, называются трофическими сетями.

2.5 Круговорот вещества в экосистеме

Общее понятие о круговоротах веществ в биосфере. Под круговоротом веществ понимают многократное участие химических веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех частях геосфер Земли, которые включены в биосферу планеты. При этом рассматривают геологический, биологический (биотический), биогеохимический круговороты, а также круговороты отдельных веществ, например, воды и отдельных химических элементов, в частности, биогенных элементов - углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., имеющих важное значение для функционирования биосферы. С точки зрения процессов, протекающих в экосистемах, наибольший интерес для изучения в рамках нашей дисциплины представляет биогеохимический круговорот вещества.

Круговорот энергии в экосистемах. В экологической литературе, наряду с круговоротами вещества, часто рассматриваются круговороты энергии в экосистемах, причем авторы некоторых публикаций, в том числе и учебной литературы, отождествляют круговороты вещества и энергии. Такое представление основывается на том, что движение органического вещества по цепям питания сопровождается направленной передачей биохимической энергии. Однако о круговороте энергии говорить нельзя, поскольку она практически не возвращается от редуцентов к продуцентам. Действительно, как показывают экологические оценки, коэффициент круговорота энергии в экосистемах не превышает 0,25%. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только круговороты веществ в экосистемах.

Круговорот веществ - условие существования жизни. Он возник в процессе становления жизни и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Чтобы круговорот веществ в экосистеме был возможен, необходимо наличие в ней организмов-продуцентов, создающих органические вещества из неорганических и преобразующие энергию излучения Солнца, а также организмов, которые используют эти органические вещества и превращают их в неорганические соединения. Но в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельности организмов. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться автотрофами.

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Для круговорота веществ необходим приток энергии извне. Источником внешней энергии является Солнце. Движение вещества, вызываемое деятельностью организмов, происходит, как показано ранее, циклически, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонаправленный характер. Из всего сказанного ясно, что круговорот веществ в биогеоценозе - необходимое условие существования жизни.

Биогеохимические циклы. Круговорот веществ - это обмен химическими элементами между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы. Осуществление круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии - важная функция трофических цепей в экосистеме. Если трофическую цепь дополнить редуцентами, превращающими органическое вещество в минеральные неорганические соединения, потребляемые продуцентами в процессе образования органического вещества, то получим замкнутую цепь, по которой происходит направленное циклическое движение химических веществ, т.е. круговорот веществ. Такие круговороты называются биогеохимическими круговоротами, или биогеохимическими циклами

Следовательно, биогеохимические циклы - круговороты питательных веществ, участниками которых являются как живые, так и неживые компоненты экосистемы. Термин биогеохимические циклы был предложен В.И. Вернадским для обозначения замкнутых (в большей или меньшей степени) путей циркулирования в биосфере химических веществ и элементов, которые сначала поглощаются живым веществом, заряжаясь биохимической энергией, и затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию, с многократным циклическим повторением этих процессов. Движение химических элементов по замкнутым циклам является результатом эколого-физиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов по цепям питания. Различные виды организмов непрерывно ищут и поглощают в виде пищи вещества, необходимые им для роста, поддержания жизни и воспроизводства вида.

Заметим, что несмотря на то, что из всех водных компонентов биосферы атмосферная влага содержит наименьшую массу воды (ее объем втрое меньше объема поверхностных вод суши и в 150 тысяч раз меньше объема Мирового океана), она имеет наибольшее значение для осуществления биогеохимических циклов, являясь источником осадков и вовлекая в круговорот химические вещества, в том числе и вредные для природных экосистем загрязнители.

2.6 Устойчивость экосистем

Толерантность вида. Термин толерантность (от лат. tolerantia - терпение) означает выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора, или другими словами, способность организмов переносить отклонения экологических факторов среды от оптимальных для них величин. Изменения величин этих факторов для каждого организма допустимы только в определенных пределах, при которых сохраняется нормальное функционирование организма, т.е. его жизнеспособность. Допустимые пределы изменений экологических факторов среды называются границами толерантности. Разные виды организмов отличаются более широкими или более узкими границами толерантности. Чем большие пределы изменения параметров среды безболезненно выдерживает конкретный организм, тем выше толерантность, или устойчивость этого организма к изменению экологических факторов среды.

Адаптация организмов к изменению экологических факторов. Показатели устойчивости организмов в изменяющихся условиях среды обитания определяются возможностями организмов приспосабливаться (адаптироваться) к изменениям биотических и абиотических факторов. Адаптациями называются эволюционно выработанные и наследственно (генетически) закрепленные свойства организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при изменениях экологических факторов. Адаптационные возможности у разных видов очень сильно различаются. Например, береза хорошо растет как на сухих, так и увлажненных почвах, а сосна - только на почвах с умеренным увлажнением.

Часто важны не только пределы изменения экологических факторов, но и скорость их изменения, т.е. динамика. Не все виды способны приспособиться к быстрым изменениям условий среды. Виды, которые не могут (или не успевают) приспособиться к изменившимся условиям, вымирают и их экологические ниши в экосистемах занимают другие, более пластичные виды.

Рассмотрим основные виды адаптаций организмов к изменениям экологических факторов. Наиболее важными из них являются:

- морфологические;

- физиологические;

- поведенческие.

К морфологическим адаптациям относятся видоизменения органов, например, развитие у баобаба колючек вместо листьев, а у китов и дельфинов - плавников вместо ног. Физиологические адаптации связаны с особенностями ферментативного набора в пищеварительном тракте. Так, потребность животных во влаге удовлетворяется в пустынях путем биохимического окисления жиров, а у растений биохимические процессы фотосинтеза позволяют создавать органическое вещество из неорганических соединений. Поведенческие адаптации проявляются, например, в способах обеспечения теплообмена у птиц путем сезонных перелетов, у животных - с помощью линьки; для обеспечения пищей хищники используют приемы затаивания (в засаде), а их жертвы - защитную окраску.

Устойчивость экосистем - это способность экосистем сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов. Рассмотренные выше адаптации организмов к изменениям факторов среды обитания в определенной степени обеспечивают устойчивость экосистем, в состав которых они входят, к изменению экологических факторов среды. Однако, как и всякая более сложная система, экосистема по сравнению с отдельными видами организмов имеет более высокую степень надежности функционирования в изменяющейся среде, так как на системном уровне формируются и развиваются новые, системные механизмы обеспечения устойчивости и живучести экосистем, которые отсутствовали у отдельных видов. Такие эволюционно выработанные механизмы приспособления экосистем к изменениям среды обитания называются адаптациями экосистем.

Рассмотрим адаптации экосистем, состоящие из адаптационных механизмов двух уровней: видовой уровень и интеграционный, или системный уровень. Видовой (низший) уровень соответствует ранее рассмотренным механизмам в подразделе «Адаптации организмов к изменению экологических факторов». Системный уровень образуют приспособительные механизмы, возникающие за счет видового взаимодействия по трофическим цепям и сетям. Природа этих интеграционных, системных механизмов обеспечения устойчивости экосистем основана на круговороте веществ, который осуществляется с помощью трофических цепей.

Существование биогеохимических круговоротов создает возможность для саморегуляции экосистем (или гомеостаза), что придает экосистеме устойчивость в течение длительных периодов. Например, показателем устойчивости глобальной экосистемы, связанной с круговоротом веществ, может служить следующий факт. Известно, что 93% массы тела человека составляют 4 химических элемента: кислород, углерод, водород и кальций, которые, во-первых, входят в перечень одиннадцати самых распространенных в геосферах Земли химических элементов, и, во-вторых, эти четыре элемента сами образуют более 56% массы геосфер.

Видовое разнообразие - также один из факторов устойчивости экосистем к неблагоприятным факторам среды. Разнообразие обеспечивает как бы подстраховку, дублирование устойчивости. Например, малочисленный вид при неблагоприятных условиях для другого широко представленного вида может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое. Такая последовательная смена видов или замена одного биоценоза другим называется сукцессией (от лат. сукцедо - следую).

Чтобы лучше уяснить суть сукцессии в экосистеме, рассмотрим два примера:

1) известно, что после лесного пожара сначала появляются лиственные породы, а затем через 70-100 лет их сменяют хвойные;

2) в упавшем дереве сначала поселяются короеды, затем появляются пожиратели древесины, а бактерии и грибы завершают процедуру превращения упавшего дерева в гумус почвы.

Таким образом, увеличение степени разнообразия является основой того, что экосистемы с более длинными цепями питания формируют более интенсивный круговорот веществ и, следовательно, обладают повышенной устойчивостью благодаря возможностям саморегуляции (гомеостаза).

Гомеостаз. Природные экосистемы (например, лесные, степные) существуют в течение длительного времени и обладают определенной стабильностью, для поддержания которой необходима сбалансированность потоков вещества и энергии в процессах обмена между организмами и окружающей средой. Однако абсолютной стабильности в природе не бывает. Поэтому стабильность состояния природных экосистем является относительной, показателем которой может служить, например, периодически изменяющаяся численность популяций разных видов в экосистеме: численность одних видов увеличивается, других - уменьшается. Такое динамически равновесное состояние, или состояние подвижно-стабильного равновесия экосистем, называют гомеостазом (от греч. гомео - тот же; стазис - состояние).

Ключевой для понимания гомеостаза экосистем термин «подвижно-стабильное равновесие» означает, что устойчивое функционирование экосистем в изменяющихся условиях среды возможно именно вследствие того, что экосистема находится в квазиравновесном состоянии, принципиально отличающимся от понимания состояния равновесия в физике. Чтобы понять это различие, кратко рассмотрим составные части этого термина.

а) Стабильность означает, что природные экосистемы существуют в течение длительного времени и обладают определенной относительной стабильностью во времени и пространстве. Заметим, что особенностью искусственных (техногенных, созданных человеком) экосистем является то, что человек сам должен поддерживать равновесие в этих экосистемах, т.е. управлять процессами их функционирования, например, замена ила в региональных, муниципальных или производственных водоочистных сооружениях, в которых культивируются колонии бактерий, пожирающих, сорбирующих, разлагающих загрязняющие вещества в сточных водах.

б) Подвижность означает изменчивость свойств (например, численности популяций) и структуры экосистемы, т.е. совокупности видов. Последовательные изменения в состоянии равновесия в природных экосистемах отражаются в смене видов (например, в процессе сукцессии), сопровождающейся и изменениями в структуре и свойствах трофических цепей (сетей). Разнообразие видов формирует сукцессию, обеспечивая заполненность пространства жизнью и увеличивая степень замкнутости биогеохимического круговорота в экосистеме.

Следовательно, гомеостатичность - общее свойство всех экосистем, зависящее от эффективности комплекса адаптационных механизмов, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне экосистемы в целом. Гомеостатичность зависит от возраста и видового разнообразия экосистем и поэтому сильно различается как у разных сообществ, так и в естественных и искусственных экосистемах.

2.7 Энергетика и продуктивность экосистем

Понятие об энергетике экосистем. Трофические цепи и сети показывают схему движения органического вещества в экосистеме. Но вместе с веществом по цепям питания идет направленный поток энергии. Источником исходной энергии является Солнце, энергия которого необходима организмам для обеспечения жизнедеятельности. Любое количество органического вещества содержит некоторое количество биохимической энергии, которая извлекается путем разрушения химических связей в веществе при использовании его в качестве пищи, для чего также необходимо определенное количество энергии. Рассмотрение процессов в экосистемах в энергетическом аспекте позволяет более полно изучить процессы функционирования природных и социоприродных экосистем. В связи с этим комплексное научное направление в экологии, рассматривающее энергетические процессы в экосистемах, называют энергетикой экосистем.

Известно, что 1 грамм сухого вещества растения содержит (условно) 18,7 кДж биохимической энергии. Консументы, получая энергию в виде органического вещества пищи от продуцентов, используют ее на:

- построение своего собственного органического вещества (белки, жиры, углеводы);

- расщепление органического вещества пищи;

- дыхание, теплоотдачу, движения по поиску пищи и спасения от врагов и др.

Продуктивность экосистемы. Энергетический поток непосредственно привязан к потоку органического вещества - от его создания через трансформацию до разложения. Эффективность действия экосистемы оценивают величиной продуктивности. Продуктивность экосистемы - скорость накопления энергии в экосистеме в виде образованного органического вещества, оцениваемая величиной сухой биомассы (т, кг.) либо энергии (кДж, ккал), производимых в единицу времени (обычно за год) и на единицу площади (для наземных и донных биоценозов) или объема (для водных и почвенных биоценозов).

Продукция экосистемы - это количество образованного органического вещества (биомассы) в ней. Различают продукцию основную, или первичную, производимую продуцентами, и вторичную продукцию, которую производят консументы. Конкретные измерения показывают, что для получения 1 кг говядины (вторичная продукция) надо затратить около 80-90 кг свежей травы, биомасса листвы дубового леса (первичная продукция) составляет приблизительно 4-6 тонн с одного гектара лесных угодий, а древесины дуба - около 300-500 тонн с одного га. Оценки экологов показывают, что продукция биосферы Земли составляет 83 млрд. тонн в год сухой биомассы, из которой на долю суши и океана приходится соответственно 53 и 30 млрд. Около половины продукции суши дают леса при их общей площади, не превышающей 10% территории суши. Интересно, что культивируемые сельскохозяйственные земли (агроэкосистемы), площадь которых лишь 1% от территории суши, дают 5% от всей годовой продукции биосферы.

Принцип Линдемана. В 1942 г. на основе обобщения обширного эмпирического материала американский эколог Линдеман сформулировал принцип преобразования биохимической энергии в экосистемах, получивший в экологической литературе название закона 10%. Принцип Линдемана (или закон 10%): при переходе с трофического уровня экологической пирамиды на каждый последующий уровень в трофической цепи передается в среднем около 10% энергии без каких-либо неблагоприятных последствий для экосистемы. Здесь имеется в виду часть энергии, поступающей с пищей, которая используется организмом для построения органического вещества своего собственного тела.

Экологические пирамиды. Для наглядного представления о величине коэффициента передачи энергии с уровня на уровень в цепях питания экосистем используют экологические пирамиды нескольких видов. Экологическая пирамида - это графическое (или диаграммное) представление соотношения между объемами органического вещества или энергии на соседних уровнях в трофической цепи. Наибольшее распространение получили следующие виды экологических пирамид:

- пирамиды чисел Элтона;

- пирамиды биомасс;

- пирамиды энергии.

Пирамиды чисел Элтона представляются в виде среднего числа особей, требуемых для питания организмов, находящихся на последующих трофических уровнях. Например, для представления трофической цепи:

ЛИСТ ДУБА - ГУСЕНИЦА - СИНИЦА

пирамида чисел для одной синицы (третий уровень) изображает число гусениц (второй уровень), которых она поедает за определенное время, например, за один световой день. На первом уровне пирамиды изображается столько листьев дуба, сколько требуется для корма того количества гусениц, которые показаны на втором уровне пирамиды.

Пирамиды биомасс и энергии выражают соотношения количества биомассы или энергии на каждом трофическом уровне. Пирамида биомасс основана на отображении результатов взвешивания сухой массы органического вещества на каждом уровне, а пирамида энергии - на расчетах биохимической энергии, передаваемой с нижележащего на вышележащий уровень. Эти уровни на графике пирамиды биомасс (или энергии) изображают в виде прямоугольников равной высоты, ширина которых пропорциональна величине биомассы, передаваемой на каждый последующий (вышележащий) уровень исследуемой трофической цепи. Каждый может попробовать построить пирамиду биомасс по данным, заимствованным из известной книги Ф. Рамада «Прикладная экология» и относящейся к некоторой 4-уровневой трофической цепи:

ТРАВА (809) - ТРАВОЯДНЫЕ (37) - ПЛОТОЯДНЫЕ-1 (11) - ПЛОТОЯДНЫЕ-2 (1,5),

где в круглых скобках указаны величины сухой биомассы (г/кв. м).

Заметим, что экологические пирамиды являются наглядной иллюстрацией принципа Линдемана и с их помощью отражается существенная особенность энергетических процессов в экосистемах, а именно: из-за сравнительно малой доли энергии (в среднем приблизительно десятая часть), передаваемой на последующий уровень, очень мало энергии остается в экосистеме, а остальная возвращается в геосферу. Так, при 4-уровневой трофической цепи только десятитысячная доля биохимической энергии остается в экосистеме. Ничтожно малая доля энергии, остающейся в экосистеме, объясняет, почему в реальных природных экосистемах трофические цепи имеют не более 5-6 уровней.

3. Техногенные воздействия в системе биосфера - человек

3.1 Нарушение круговоротов вещества в социоприродных экосистемах

Для анализа антропогенных воздействий на состояние биосферы было введено понятие социоприродной экосистемы, существенной особенностью которой является включение в ее состав социальной компоненты, т.е. человеческого общества, которое в современной истории стало геологической преобразующей силой. Чтобы наиболее четко выявить специфику воздействий на природу, оказываемых человеческим обществом на различных этапах исторического развития, экологами был проведен сравнительный анализ воздействий антропогенных экологических факторов на природную среду путем рассмотрения круговорота веществ в различных видах глобальных экосистем. В частности, для проведения такого анализа французский эколог Франсуа Рамад условно выделяет три вида экосистем, относящихся к исторически и технологически различным этапам развития человеческого общества:

1) экосистема первобытного общества;

2) экосистема аграрной цивилизации;

3) экосистема современной промышленной цивилизации.

Вводя в схемы круговорота еще одно звено трофической цепи - человека как суперхищника, потребляющего в пищу органическое вещество продуцентов и консументов 1-го и 2-го порядков, Ф. Рамад выявляет основные закономерности осуществления круговоротов вещества в трех указанных видах экосистем и оценивает энергетические потребности человека в каждой. Прежде чем сформулировать эти закономерности, дадим краткую характеристику взаимоотношений социальной и природной составных частей этих трех экосистем.

На первобытном этапе человек занимался собирательством и охотой, его деятельность не оказывала существенных воздействий на другие компоненты системы, т.е. антропогенная нагрузка на природную среду была незначительной. Энергетические потребности человека ограничивались удовлетворением его естественных потребностей как биологического вида и могут быть оценены известной величиной 4000 ккал в сутки (на одного человека или, иначе, на душу населения). Все отходы жизнедеятельности организмов, как и самого человека, представляли собой органические остатки, перерабатываемые в экосистеме редуцентами в минеральные вещества. Следовательно, все отходы в экосистеме первобытного общества были биологически разрушаемыми и усваивались в экосистеме, т.е. круговорот веществ в ней был замкнутым.

Возросшая численность человеческой популяции потребовала поиска новых способов обеспечения членов человеческого общества пищей, необходимой на душу населения в условиях ограничения площади ее сбора. Произошел переход от охоты и собирательства злаков к выращиванию домашнего скота и земледелию, т.е. к аграрному производству пищи. Появляется новый тип социоприродной системы, в которой уже заметны антропогенная нагрузка и результаты воздействия на состояние природной среды: возникают большие города, дороги, каналы и т.п. Появляются обезлесенные территории, опустыненные земли. Сегодня в безжизненных пустынях археологи находят следы некогда процветавших, а затем неосознанно разрушенных социоприродных экосистем. По оценкам экологов, в аграрной экосистеме энергетические потребности человека удвоились за счет затрат на обеспечение жильем, содержание скота, тягловых затрат в земледелии. Однако отходы жизнедеятельности людей остались качественно такими же, что и на предыдущем этапе, т.е. биологически разрушаемыми и усваиваемыми в экосистеме.

Дальнейший рост численности народонаселения на планете заставил общество приблизительно двести лет назад перейти от чисто аграрных технологий обеспечения себя пищей к промышленному производству продуктов питания, что привело к кардинальным изменениям во взаимоотношениях общества с природой, к колоссальным изменениям в культуре и образе жизни человека. C середины ХХ века в мире разворачивается научно-техническая революция, с использованием достижений науки создаётся новое поколение техники, обеспечивающей интенсификацию физической и умственной деятельности людей, возникают новые виды энергетики (например, атомная). В результате возможности общества воздействовать на природу небывало возросли. Человечество продолжает наращивать темпы потребления, истощая природные ресурсы. Промышленное производство всё в большей степени противоречит естественному круговороту веществ в природе, нарушает его, выбрасывая в окружающую природную среду отходы жизнедеятельности в форме, неусваиваемой в экосистеме (свалки, отвалы горных пород, лом металлов, использованные пластмассовые изделия и др.), что загрязняет природу. Энергетические потребности человека в экосистеме промышленной цивилизации уже существенно возрастают и оцениваются величиной 50-200 тыс. ккал в сутки, т.е. возникшие на данном этапе развития общества дополнительные энергетические потребности человека во много раз превышают его естественные потребности в пище.

Существенные особенности трех видов социоприродных экосистем можно представить следующим образом (по Ф. Рамаду):

3.2 Техногенные факторы деградации биосферы

Как видно из вышеизложенного, антропогенные нарушения эволюционно сформировавшихся биогеохимических циклов, проявляющиеся в выведении из экосистем значительных объемов вещества («размыкание» круговоротов), приводят к накоплению в биосфере больших объемов биологически неразрушаемых и неусваиваемых природными экосистемами отходов (сточные воды, выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, накопление твердых отходов в литосфере).

Отходы - непригодные для производства данной продукции виды сырья, его неупотребимые остатки или возникающие в технологических процессах вещества (твердые, жидкие и газообразные) и энергия, не пригодные к утилизации в условиях данного производства. Отходы в ряде производств составляют до 98% сырья. Отходы иногда определяют как природные ресурсы, оказавшиеся в ненадлежащем месте и в ненадлежащее время. Поэтому они являются основной причиной загрязнения всех геосфер Земли: газообразные отходы загрязняют атмосферу, жидкие - гидросферу, а твердые - литосферу.

Объем загрязнения среды тем выше, чем больше плотность населения. Однако рост объемов загрязнения окружающей среды в развитых странах определяется не столько плотностью населения, численность которого здесь в последние десятилетия стабилизировалась, сколько последствиями научно-технического прогресса. Например, известно, что в США с 1945 г. за два десятилетия население увеличилось на 42%, национальный доход на душу населения возрос на 126%, а загрязнение среды выросло в 10 раз (а по некоторым оценкам даже в 20 раз). При этом в США ежегодно выбрасывается 125 млн. т твердых отходов промышленного производства (48 млрд. пустых консервных банок, 26 млн. бутылок и бочек, 65 млрд. металлических и пластиковых упаковок и т.п.). Ежегодные затраты на сбор отходов и их ликвидацию только в США по данным 1965 г. составили 3 млрд. долларов. В общем, развитые страны затрачивают на программы ликвидации всевозможных отходов до 2- 2,5% национального дохода.

Сравнительный анализ круговоротов вещества в рассмотренных выше трех видах экосистем позволяет выявить некоторые из сформировавшихся в последние десятилетия глобальных проблем: загрязнение окружающей среды, накопление отходов, энергетическая проблема (в результате беспрецедентного роста удельных энергозатрат и истощения энергетических ресурсов). Радиационное и химическое загрязнение среды оказывают в последние десятилетия существенное воздействие на здоровье людей, что также стало одной из глобальных проблем цивилизации.

Загрязнение водоемов сточными водами предприятий и демографический взрыв привели к истощению водных ресурсов и создали проблему чистой питьевой воды во многих странах мира. Негативные воздействия промышленности на состояние атмосферы привели к наметившимся глобальным климатическим изменениям, которые связываются, в первую очередь, с парниковым эффектом, а загрязнение атмосферы химическими веществами привели к появлению других глобальных проблем окружающей среды, вызванных кислотными дождями и разрушением озонового слоя Земли.

Причины глобализации перечисленных проблем экологи усматривают в существенном превышении допустимого уровня антропогенных воздействий на биосферу. Необходимо отметить следующую особенность принципа Линдемана, согласно которому 10% первичной продукции продуцентов передается на следующий уровень, т.е. консументам 1 порядка (низшим консументам - преимущественно беспозвоночным), которые соответственно передают 10% на уровень консументов 2 порядка, т.е. высшим консументам - позвоночным. Следовательно, высшие консументы в природной экосистеме получают только 1% первичной продукции (продуцентов).

Перенося на социоприродную экосистему сформулированную здесь закономерность, заключающуюся в передаче 1% первичной продукции биосферы на уровень высших консументов, которых в глобальной социоприродной экосистеме представляет человечество, получим естественную долю продукции биосферы, которую общество может взять у природы, не нарушая условий функционирования глобальной экосистемы. Можно показать, что в экосистеме аграрной цивилизации, рассмотренной нами в обобщенном виде в предыдущем разделе 3.1, однопроцентный уровень изъятия человеком продукции биосферы не был превышен.

Однако, как показывают некоторые оценки российских и зарубежных экологов, в последние десятилетия этот однопроцентный уровень превышен уже приблизительно в 10 раз, что и привело к нарушению равновесия в системе Биосфера - Человек. Показателем этого может служить тот факт, что площадь эксплуатируемых территорий составляет около 10% территории суши. Только доля сельскохозяйственных земель превышает 5% от площади суши. Нарушения в круговороте веществ в экосистемах низшего уровня (биогеоценозах) неизбежно проявляются в потери устойчивости глобальной экосистемы, т е биосферы в целом, что и может служить причиной глобализации экологических проблем современности.

Имеется ли выход из этого глобального кризиса цивилизации? Некоторые ученые видят его в существенном снижении уровня антропогенного воздействия на природную среду, в частности, в десятикратном сокращении эксплуатируемых территорий, доведении полностью нарушенной природной среды до 1% от площади суши. Даже трудно представить, какие экономические, социальные, культурные, психологические и другие последствия ожидает человечество в переходе на такой «щадящий» уровень эксплуатации природы человеком. Во всяком случае, новая стратегия взаимоотношений общества и природы, которая сейчас формируется в умах интеллектуальной элиты мирового сообщества, включает не только стабилизацию численности народонаселения планеты (на значительно сокращенном уровне), но и существенное уменьшение человеческих потребностей до уровня минимально необходимых.

Как видно из изложенного, основными факторами воздействия современного общества на природную среду являются техногенные факторы, вызванные промышленным производством. И большинство из перечисленных выше глобальных проблем современной цивилизации так или иначе связано с загрязнением окружающей среды.



3.3 Загрязнение окружающей среды

Основные понятия. Понятие «загрязнение окружающей среды» довольно широкое. С точки зрения экологии это понятие чаще всего рассматривается в двух аспектах:

1) как процесс (действие) - поступление в окружающую среду или возникновение в ней под действием различных факторов вредных для человека и природной среды агентов различной природы;

2) как загрязняющий окружающую среду агент (например, химическое вещество).

В рамках изучаемой дисциплины под загрязнением окружающей среды будем понимать привнесение в нее новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов (загрязнителей) либо превышение в ней естественного многолетнего уровня этих агентов. Различают биологическое, физическое (в том числе радиационное, световое, электромагнитное, шумовое и др.) либо химическое загрязнение. Загрязнители окружающей среды - это несвойственные (новые) для среды физические, химические и биологические агенты либо характерные для нее агенты, но находящиеся в объемах, превышающих естественно сложившийся многолетний (фоновый) уровень их присутствия.

Классификация видов загрязнения. Рассматривают обычно два различных по происхождению вида загрязнения:

- естественное загрязнение, возникающее в результате действий природных явлений без участия людей;

- антропогенное загрязнение, связанное с человеческой деятельностью, главной составной частью которого является техногенное загрязнение, обусловленное деятельностью промышленных производств.

По природе загрязнителей различают следующие виды загрязнения:

1) биологическое - либо привнесение в окружающую среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов, либо проникновение (естественное или антропогенное) в экосистему организмов, чуждых сообществам экосистемы и обычно там отсутствующих;

2) физическое (радиационное, тепловое, световое, электромагнитное, шумовое и др.);

3) химическое (загрязнение биосферы химическими веществами).

По способу образования различают загрязнение первичное и вторичное. Первичное загрязнение - поступление в среду загрязнителей, образующихся непосредственно в ходе естественных или антропогенных процессов в биосфере. Вторичное загрязнение - образование (синтез) вредных и опасных для окружающей среды и человека загрязнителей в ходе физико-химических процессов в окружающей среде, при этом все или некоторые реагенты могут быть сами по себе неопасными. Например, вторичным загрязнением является образование при некоторых условиях ядовитых химических веществ в атмосфере, называемое смогом.

По пространственному признаку различают глобальное (обнаруживаемое в любой точке планеты как угодно далеко от его источника), региональное (обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всей планеты) и локальное (наблюдаемое на небольшой территории, ограниченной пределами населенного пункта, предприятия и т.п.) загрязнения.

По видам компонентов окружающей среды рассматривают, во-первых, загрязнения атмосферы, гидросферы или литосферы (на глобальном уровне) и загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных водоемов и почвы (на локальном уровне). Считается, что из загрязняющих агентов, регулярно попадающих в организм человека, около 70% поступает с пищей, 20% - из воздуха и 10% - с водой.



3.4 Химическое загрязнение

3.4.1 Классификация и источники загрязнения

Основные определения. Химическое загрязнение - поступление в окружающую среду загрязнителей в виде химических веществ, образующихся непосредственно в ходе естественных, природно-антропогенных и антропогенных процессов (первичное загрязнение), либо образование (синтез) вредных и опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов в среде (вторичное загрязнение). Необходимо отметить, что в развитых странах благодаря принятым в последние два-три десятилетия мерам по сокращению техногенных воздействий химическое загрязнение отошло на второй план, уступив первое место радиационному загрязнению. В нашей стране опасность химического загрязнения окружающей среды по-прежнему находится на первом месте среди других видов загрязнения

Химикам известно 4-5 млн. химических соединений, число которых ежегодно возрастает приблизительно на 10%. По данным ВОЗ, человек в быту или производственной деятельности контактирует с 60-70 тыс. химических соединений, число которых ежегодно увеличивается на 200-1000 новых веществ. Если только 1% химических соединений, с которыми человек вынужден контактировать, могут оказывать вредное действие на его здоровье, то и тогда их число чрезвычайно велико (до десятка тысяч и более).

Объемы производимых промышленным способом химических веществ огромны. По данным ВОЗ, в мире более 50 химических соединений производятся промышленностью в объемах более 1 млн. т Например, моющих средств в бывшем СССР производилось более 1 млн. т, а минеральных удобрений - несколько десятков млн. т.

Классификация загрязнителей. Химические загрязняющие вещества могут быть свойственны живым организмам, если они в определенных концентрациях находятся в теле животного, выполняя важные функции регулирования процессов метаболизма, пищеварения и др., либо чужеродными для него, называемыми ксенобиотиками (от греч. ксенос - чужой и биос - жизнь), которые попадают в организм различными путями: воздушным, через пищу или питьевую воду. Например, свойственными для человеческого организма являются так называемые микроэлементы, необходимые для нормального, сбалансированного питания, к числу которых относятся железо, марганец, цинк и др.

По геосферам Земли (на глобальном уровне) выделяют химическое загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы. По компонентам окружающей среды и объектам загрязнения, рассматриваемым на локальном уровне, различают следующие виды химического загрязнения:

1) атмосферного воздуха (например, населенных пунктов, рабочей зоны);

2) жилых и производственных помещений;

3) поверхностных и подземных вод (водоемов);

4) почвы;

5) продуктов питания и др.

Источники химического загрязнения среды. Источники техногенного химического загрязнения можно условно разделить на четыре большие группы:

1) технические установки и устройства для выброса в окружающую среду газообразных, жидких и твердых производственных отходов;

2) хозяйственные объекты, производящие загрязняющие вещества или накапливающие и хранящие отходы (полигоны отходов);

3) регион, из которого поступают загрязняющие вещества (при трансграничном переносе);

4) планетарное загрязнение, загрязненные атмосферные осадки, бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды.

По источникам поступления в окружающую среду выделяют следующие группы химических веществ: промышленные, энергетические, транспортные (например, от автомобилей), сельскохозяйственные, бытовые и другие.

3.4.2 Загрязнение атмосферного воздуха

Общая характеристика. Загрязнение атмосферного воздуха непосредственно влияет на здоровье человека, а загрязнение атмосферы (на глобальном уровне) - лишь косвенно через климатические изменения, разрушение озонового экрана биосферы, кислотные дожди и др. Наиболее распространенные группы загрязнителей воздуха: атмосферные газы (окислы азота, серы, углерода, например, углекислый газ), углеводороды, фенолы, аэрозоли тяжелых металлов и другие органические и минеральные соединения. Аэрозоли - взвешенные в газообразной среде частички твердых или жидких веществ как органического, так и неорганического происхождения. Аэрозоли могут содержать сложные комплексы химических веществ, в том числе обладающих высокой степенью токсичности и представляющих опасность для здоровья человека и жизнестойкости растений.

Очень большую группу загрязнителей образуют углеводороды, в составе которых наиболее опасны для человека и животных хлор-, фтор-, азот-, фосфорсодержащие соединения, большинство из которых являются ядовитыми веществами и обладают канцерогенным действием, т.е. могут вызывать онкологические заболевания. В эту группу входят и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), среди которых наиболее опасны бензапирен и фенантрен, также вызывающие онкологические заболевания.

Источники загрязнения воздуха. Наиболее значительный источник загрязнения воздуха - автотранспорт, поставляющий в атмосферу свинец, окись углерода и упоминаемые выше ПАУ. Принято считать, что в большинстве стран мира более половины загрязнения воздуха связано с работой автотранспорта. В среднем по территории России выхлопные газы автотранспортных средств определяют 40-45% загрязнения воздуха, но в городах они дают больше 50% загрязнения воздуха, причем в крупных городах(от 0,5 млн. до 1-1,5 млн. жителей) на их долю приходится 55-70%, а в очень крупных (несколько млн. жителей) городах - более 85% от общего объема загрязнения атмосферного воздуха. В России по транспортным выбросам лидируют Москва и Петербург, объемы которых в атмосферу соответственно достигают 800 и 250 тыс. т в год.

Значительную долю загрязнения воздуха составляют также выбросы тепловых электростанций, содержащие окислы серы и азота, золу, тяжелые металлы, ПАУ, связанные со сжиганием топлива. Причем первенство здесь принадлежит электростанциям, работающим на угле, меньше всего выбросов дают станции, использующие природный газ.

Предприятия химической промышленности выбрасывают в атмосферу углеводороды, фенолы, органические фториды и хлориды, карбоновые кислоты, альдегиды, органические соединения серы, хлора, фтора, азота, двуокись серы, сероводород, окислы азота, соляную кислоту, другие кислоты, соединения фтора, тяжелые металлы, карбиды и др. Металлургические предприятия выбрасывают в воздух пыль в больших объемах, окислы серы, углерода и азота, фтористые газы и металлы. О составе этой пыли можно судить по тому факту, что из тонны пыли, выделяемой при плавке меди, можно извлечь около 100 кг меди и немного меньше цинка и свинца, известных своей токсичностью. Выбросы нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий содержат углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы (стирол, ацетон, толуол и др.), а при сжигании попутных газов в факельных установках - в больших объемах сажу, окись углерода, диоксид азота, углеводороды.

Воздействие загрязнений воздуха на природную среду. Перечисленные выше химические вещества, присутствующие в атмосферном воздухе, оказывают воздействие не только на здоровье людей, которое будет рассматриваться в следующем разделе, но и на состояние природной среды. Это воздействие в природных экосистемах многообразно и еще недостаточно изучено. Некоторые из атмосферных газов (например, окислы углерода) в небольших концентрациях могут оказывать благотворное действие на рост и развитие растений. Но большинство из загрязнителей, особенно в значительных концентрациях, могут угнетать деятельность биоты. Вредное действие на растения оказывает диоксид серы. Поступая внутрь листа при дыхании он угнетает жизнедеятельность клеток, листья сначала покрываются бурыми пятнами, а потом высыхают. Аналогичное воздействие на лиственные породы деревьев оказывает и диоксид азота. Сажа, считающаяся не очень вредным для здоровья человека загрязнителем воздуха, забивая дыхательные устьица хвоинок, приводит к гибели хвойные деревья. С выбросами сажи при сжигании газа в факелах, разбросанных на бескрайних просторах Сибири, экологи связывают усыхание лесов на некоторых территориях нефтедобычи.

3.4.3 Загрязнение водоемов

Общая характеристика. Несмотря на неуклонный рост потребления воды из-за быстрого увеличения численности народонаселения, главной проблемой стала не нехватка питьевой воды в большинстве стран мира, а прогрессирующее загрязнение рек, озер и подземных вод. Значительный рост промышленности привел к резкому увеличению объемов технических отходов, сбрасываемых в виде неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод в водоемы. В настоящее время загрязнение воды в бассейнах крупных рек практически на всей территории России достигло критических показателей. Так, крупнейшая река Обь с притоками транспортирует ежегодно более 500 млн. кубометров сточных вод. Еще более загрязнена главная водная артерия европейской части России - Волга. Некоторые реки практически превращены в сточные канавы. Выносами рек загрязнены прибрежные воды морей.

По данным Всемирной организации здравоохранения, в речных водах содержатся тысячи органических веществ. Однако отечественные службы контроля качества воды имеют возможность контролировать не более трех-пяти десятков веществ, загрязняющих водоемы. В то же время номенклатура загрязняющих веществ, обнаруженных в воде реки Томь, одной из самых грязных рек России, превышает 300 наименований, среди которых имеются высокотоксичные, в том числе канцерогенные вещества, а в крупнейшем озере Европы - Ладоге выявлено более пяти сотен загрязняющих веществ.

Источники загрязнения водоемов. Основными источниками загрязнения водоемов являются:

1) атмосферные осадки, содержащие загрязняющие вещества промышленного происхождения, которые вымываются из атмосферы;

2) городские сточные воды (бытовые, канализационные стоки, содержащие вредные для здоровья синтетические моющие средства и др.);

3) промышленные сточные воды;

4) сельскохозяйственные сточные воды (отходы животноводческих комплексов, смыв с полей удобрений и пестицидов дождями и весенними талыми водами и др.).

Наиболее значимую долю загрязнения водоемов составляют промышленные сточные воды, половина объема которых (по данным отечественных природоохранных служб) сбрасывается в водоемы без очистки, а большая часть второй половины - в недостаточно очищенном виде. Поэтому почти все реки загрязнены нефтепродуктами, тяжелыми металлами, органическими и минеральными соединениями. Сельскохозяйственные сточные воды несут в реки и озера огромное количество удобрений и пестицидов. Сброс сточных вод в водоемы сопровождается накоплением загрязняющих веществ в донных осадках в больших концентрациях, что может приводить к резкому повышения уровня загрязнения в паводковых водах и к вторичному загрязнению, связанному с образованием новых (часто более вредных, чем исходные) химических соединений.

В каждой стране имеется своя специфика в номенклатуре загрязняющих водные системы веществ. Так, в Японии со сточными водами в водоемы в большом количестве попадают соединения ртути, меди, цинка, хлора, пестициды. В Финляндии почти 90% загрязняющих веществ поступает в водоемы со сточными водами от предприятий лесохимической промышленности и предприятий по производству удобрений. В США реки и прибрежные воды морей и океанов загрязнены нефтепродуктами и тяжелыми металлами; сильно загрязнена также система Великих озер.

Воздействие загрязнения водоемов на природные экосистемы. Очень опасны как для человека, так и биоты природных экосистем поступающие с бытовыми стоками синтетические моющие средства, которые благодаря вспениванию препятствуют поступлению кислорода в воду. Экологически опасны не только токсичные вещества, содержащиеся в сточных водах. Мелкодисперсные волокна, выбрасываемые предприятиями по производству строительных и других материалов, способны забивать дыхательные системы водных организмов и вызывать их гибель. Большую опасность для экосистем водоемов со стоячей водой представляет накопление в них органики, поступающей с сельскохозяйственными (и особенно животноводческими) стоками, содержащими биогенные элементы, в том числе азот и фосфор. В результате в водоеме развивается процесс эвтрофикации, т.е. повышения биологической продуктивности водных объектов вследствие накопления биогенных элементов, сопровождающейся так называемым цветением воды из-за массового размножения фитопланктона, сине-зеленых водорослей и высших водных растений. В результате вода становится непригодной для жизни.



3.4.4 Загрязнение почвы

Общая характеристика. Принято различать естественное и антропогенное загрязнение почвы. Естественное загрязнение почв возникает в результате природных процессов в биосфере, происходящих без участия человека и приводящих к поступлению в почву химических веществ из атмосферы, литосферы или гидросферы, например, в результате выветривания горных пород или выпадения осадков в виде дождя или снега, вымывающих загрязняющие ингредиенты из атмосферы.

Наиболее опасно для природных экосистем и человека антропогенное загрязнение почвы, особенно техногенного происхождения. Наиболее характерными загрязнителями являются пестициды, удобрения, тяжелые металлы и другие вещества промышленного происхождения.

Источники поступления загрязнителей в почву. Можно выделить следующие основные виды источников загрязнения почвы:

1) атмосферные осадки в виде дождя, снега и др.;

2) сброс твердых и жидких отходов промышленного и бытового происхождения;

3) использование пестицидов и удобрений в сельскохозяйственном производстве.

Рассмотрим более подробно перечисленные виды источников почвенного загрязнения. Атмосферные осадки, вымывая из атмосферы газообразные загрязняющие вещества, приводят к росту концентрации серной, азотной и других кислот в почве, что сопровождается ее закислением и снижением урожайности. Поступающие в почву с осадками атмосферные аэрозоли в жидкой и твердой фазах, имеющие, как правило, сложный химический состав, способствуют накоплению в почве тяжелых металлов и разнообразных органических веществ, включая опасные углеводороды. Промышленные и бытовые отходы, объемы которых огромны и растут быстрыми темпами, способствуют накоплению в почве тяжелых металлов, углеводородов, включая опасные токсические хлор-, фтор-, фосфорсодержащие соединения, обладающие канцерогенным действием. Наибольшую опасность как для человека, так и для природных экосистем представляет третий вид почвенного загрязнения, связанный с применением пестицидов и удобрений, вызывающих химическое загрязнение продуктов питания, с которыми, как было отмечено выше, наш организм получает до 70% загрязняющих веществ.

Загрязнение почвы пестицидами и удобрениями. Необходимость обеспечения населения продуктами питания, а промышленности - сырьевыми ресурсами требует повышать плодородие почвы и вести борьбу с вредителями урожая. Поэтому в современном сельскохозяйственном производстве применяются удобрения и пестициды, которые даже при агрономически правильном их использовании могут создавать опасные уровни загрязнения почвы.

Удобрение - вещество или агент, создающее при внесении в почву или водоем условия для ускоренного роста и развития растений и микроорганизмов, способствующее увеличению урожая. Различают органические, минеральные, химические и другие (например, бактериальные) виды удобрений. К органическим удобрениям относятся перегной, торф, навоз, птичий помет и другие органические остатки, используемые для повышения плодородия почвы. Химическое, или минеральное, удобрение - добытое из недр или полученное промышленным путем химическое соединение, содержащее в большом количестве один или несколько основных элементов питания растений (азот, фосфор, калий и др.), необходимые микроэлементы (медь, марганец и др.) или естественные продукты типа извести, гипса, золы и т.п., способные улучшить химические и структурные характеристики почвы. Этот вид удобрений приводит к большим концентрациям в почве химических веществ, включая опасные для здоровья человека нитриты и нитраты.

...