Основы экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Экология

Выполнил студент Мартынов И.Э

№121733

Москва .2013



1. Реакция организмов на изменения уровня экологических факторов (изменчивость, адаптация )

Изменчивость

Изменчивость -- одно из главных свойств живого на различных уровнях его организации. Для каждого вида важна изменчивость составляющих его особей. Например, люди отличаются друг от друга ростом, телосложением, цветом глаз и кожи, проявляют различные способности. Аналогичная внутривидовая изменчивость присуща всем организмам: слонам, мухам, дубам, воробьям и прочим.

Особи любого вида различаются между собой внешними и внутренними признаками. Признак -- любая особенность организма как в его внешнем облике (размер, форма, окраска и т. п.), так и во внутреннем строении. Устойчивость к болезням, низким или высоким температурам, способность плавать, летать и прочее -- все это признаки, многие из которых можно изменить или развить путем обучения или тренировки. Однако главное их свойство -- генетическая, т. е. наследственная, основа. Каждый организм появляется на свет с набором определенных признаков.

Проведенные исследования показали, что наследственная основа признаков любого вида закодирована в молекулах ДНК, т. е. в генах организма, совокупность которых называется его генотипом. Генотип практически всех организмов, включая человека, представлен не одним, а двумя наборами генов. Рост тела сопровождается делением клеток, в ходе которого каждая новая клетка получает точную копию обоих наборов генов. Однако последующему поколению передается лишь по одному набору от каждого из родителей, и поэтому у детей возникают новые комбинации генов, отличные от родительских. Таким образом, все потомки, а, следовательно, и особи вида (за исключением однояйцевых близнецов) отличаются своими генотипами.

Генетическая изменчивость -- основа наследственной изменчивости признаков. Еще один источник наследственной изменчивости -- мутация ДНК, затрагивающая любой ген или группу генов.

Различия, возникающие в результате обучения, тренировки или просто травмы, являются развитием какого-либо врожденного признака, но не меняют его генетической основы.

Если наследственная изменчивость при половом размножении неизбежна, то при бесполом воспроизводстве особей, т. е. при клонировании, наблюдается иная картина. Так, при черенковании растений новый организм появляется в результате простого клеточного деления, сопровождающегося точным копированием родительской ДНК. Поэтому все особи клона (за исключением мутантов) генетически идентичны. Генофонд -- совокупность образцов генов всех особей некоторой группы организмов одного вида. Генофонд вида непостоянен, он может меняться от поколения к поколению. Если особи, обладающие редкими признаками, не размножаются, то часть генофонда сокращается.

В природе постоянно идет изменение генофонда вида путем естественного отбора, являющегося основой процесса эволюции. Каждое поколение подвергается отбору на выживаемость и воспроизведение, поэтому практически все признаки организмов в той или иной мере служат выживанию и воспроизведению вида.

Однако генофонд можно изменить и целенаправленно с помощью искусственного отбора. Современные породы домашних животных и сорта культурных растений были выведены из диких предков именно так. Также возможно вмешательство в генофонд при скрещивании близкородственных видов (неблизкородственные виды не дают потомства). Этот метод называют гибридизацией, а потомков -- гибридами.

Последние достижения науки связаны с разработкой технологии генной инженерии, заключающейся в получении специфических генов (отрезков ДНК) одного вида и введении их другому виду непосредственно без скрещивания. Это позволяет гибридизировать любые виды, не только близкородственные, и потому вызывает серьезные споры из-за непредсказуемости конечных результатов такого радикального вмешательства в генофонды живых существ.

Адаптация

Животные и растения вынуждены приспосабливаться к множеству факторов непрерывно изменяющихся условий жизни. Динамичность экологических факторов во времени и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических процессов, которые выполняют управляющую роль по отношению к живым организмам.

Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются под действием естественного отбора, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям. Приспособление может происходить на уровне клетки, тканей и даже целого организма, затрагивая форму, размеры, соотношение органов и т. п. Организмы в процессе эволюции и естественного отбора вырабатывают наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в изменившихся экологических условиях, т. е. происходит адаптация.

Адаптация -- приспособление организмов (и видов) к среде -- фундаментальное свойство живой природы. Среда обитания любого живого существа, с одной стороны, медленно и неуклонно изменяется на протяжении жизни многих поколений соответствующего биологического вида, а с другой стороны, она предъявляет организму разнообразные требования, меняющиеся в короткие отрезки индивидуальной жизни. Поэтому различают три уровня процесса адаптации.

Генетический уровень. Данный уровень обеспечивает адаптацию и сохранение жизнеспособности вида в поколениях на основе свойства генетической изменчивости.

Глубокие изменения обмена веществ. Приспособление к сезонным и годичным природным циклам осуществляется с помощью глубоких изменений обмена веществ. У животных центральную роль в этих процессах играют нейрогуморальные механизмы, например, подготовка к сезону размножения или к зимней спячке «включается» нервными стимулами, а осуществляется благодаря изменениям в гормональном статусе организма. У растений сезонные и иные долговременные изменения обеспечиваются работой фитогормонов, ростовых факторов.

Быстрые изменения в ответ на кратковременные отклонения факторов среды. У животных они осуществляются разнообразными нервными механизмами, ведущими к перемене поведения и быстрой обратимой трансформации обмена веществ. У растений примером быстрых изменений являются реакции на смену освещенности.

Адаптивное значение имеют практически все закономерности, характерные для живого. В ходе естественного отбора виды преображаются и все лучше адаптируются к своим местообитаниям. Например, жирафы постепенно приспособились к поеданию листьев с вершин деревьев. С увеличением приспособленности организмов к местообитанию скорость их изменения понижается.

В случае отношений «хищник--жертва» естественный отбор влияет, прежде всего, на гены, позволяющие наиболее эффективно избегать врага, а у хищников -- на гены, повышающие его охотничьи способности. Это справедливо для всех биотических взаимодействий. Организмы, почему-либо утратившие способность к адаптации, обречены на вымирание.

Итак, при перемене условий существования (отклонении значения одного или нескольких экологических факторов за пределы обычных колебаний) одни виды адаптируются и преобразуются, а другие виды вымирают. Это зависит от ряда обстоятельств. Основное условие адаптации -- выживание и размножение хотя бы нескольких особей в новых условиях, которое связано с генетическим разнообразием генофонда и степенью изменения среды. При более разнообразном генофонде даже в случае сильных изменений среды некоторые особи сумеют выжить, тогда как при малом разнообразии генофонда даже незначительные колебания экологических факторов могут привести к вымиранию вида.

Если изменения условий малозаметны или происходят постепенно, то большинство видов может приспособиться и выжить. Чем резче изменение, тем большее разнообразие генофонда необходимо для выживания. В случае катастрофических изменений (например, ядерной войны), возможно, не выживет ни один вид. Важнейший экологический принцип гласит: выживание вида обеспечивается его генетическим разнообразием и слабыми колебаниями экологических факторов.

К генетическому разнообразию и изменению среды можно добавить еще один фактор -- географическое распространение. Чем шире распространен вид (чем больше ареал вида), тем он генетически более разнообразен и наоборот. Кроме того, при обширном географическом распространении некоторые участки ареала могут быть удалены или изолированы от районов, где нарушались условия существования. На этих участках вид сохраняется, даже если он исчезнет из других мест.

Если часть особей выжила в новых условиях, то дальнейшая адаптация и восстановление численности зависят от скорости воспроизведения, так как изменение признаков происходит только путем отбора в каждом поколении. Например, пара насекомых имеет сотни потомков, проходящих жизненный цикл развития за несколько недель. Следовательно, скорость воспроизведения у них в тысячу раз выше, чем у птиц, выкармливающих только 2--6 птенцов в год, а значит, одинаковый уровень приспособленности к новым условиям разовьется во столько же раз быстрее. Именно поэтому насекомые быстро адаптируются и приобретают устойчивость к всевозможным «средствам защиты растений», тогда как другие дикие виды от этих обработок погибают.

Важно отметить, что сами по себе ядохимикаты не вызывают полезных мутаций. Изменения возникают случайно. Адаптивные признаки развиваются благодаря наследственному разнообразию, уже существующему в генофонде вида. Имеют значение и размеры организма. Мухи могут существовать даже в мусорном ведре, а крупным животным необходимы для выживания обширные территории.

Адаптация имеет следующие особенности:

Приспособленность к одному фактору среды, например повышенной влажности, не дает организму такой же приспособленности к другим условиям среды (температуре и т. п.). Эта закономерность называется законом относительной независимости адаптации: высокая адаптированность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни.

Каждый вид организмов в вечно меняющейся среде жизни по-своему адаптирован. Это выражается сформулированным Л. Г. Раменским в 1924 г. правилом экологической индивидуальности: каждый вид специфичен по экологическим возможностям адаптации; двух идентичных видов не существует. экологический антропогенный гидросфера воздушный

Правило соответствия условий среды обитания генетической предопределенности организма гласит: вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления к ее колебаниям и изменениям.

Отбор -- это процесс изменения генофонда уже существующего вида. Ни человек, ни современная природа не могут создать новый генофонд или новый вид из ничего, на пустом месте. Меняется лишь то, что уже есть.

Живое вещество биосферы

Под живым веществом Вернадский понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав. Живое вещество составляет порядка 0.01 - 0.02 % от массы всей биосферы. Общий вес живого вещества порядка (2.4 - 3.6).1012т (в сухом весе).

Вещества, образуемые без участия живых организмов и не вовлеченные в круговорот жизни, Вернадский назвал костными веществами. Это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. “Неживых” веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни.

Кроме того, Вернадский выделял в особую группу биокостное вещество, которое в отличие от костного так или иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот. Это, например, вода, почва и т.п. Вода, например, по праву считается веществом, дающим жизнь. Некоторые исследователи утверждают, что она обладает способностью запоминать информацию в своих структурах. А так как практически вся земная вода основательно переработана жизнью, то отнести ее к костным веществам мы никак не можем. То же самое можно сказать и про почвы, которые некоторые почвоведы считают “биологическим телом”. Поэтому подобные вещества вынесены в особую промежуточную группу.

Можно также выделить группу биогенных веществ, образующихся в результате жизнедеятельности живых организмов. Это многие полезные ископаемые в первую очередь каменный уголь, нефть, торф, а также известняки, руды металлов и т.п. По сути дела, весь слой осадочных пород можно отнести к биогенным веществам.

В настоящее время данную классификацию дополняют еще одной группой веществ, образующихся в процессе деятельности человека. Это так называемые антропогенные вещества. Часть из них участвует в естественном круговороте вещества, но многие соединения практически не утилизируются живым веществом, а потому представляют огромную опасность для биосферы. Это в первую очередь разного рода полимерные материалы, типа целлофана, капрона и т.п. Единственным деструктором (разрушителем) для этих веществ пока что остается человек. Правда, природа похоже начинает приспосабливается к этой стороне человеческой деятельности. Так известны случаи, когда крысы перегрызали пластмассовую изоляцию кабелей. Некоторые, вероятно, сталкивались также с поражением молью синтетических тканей. Многие антропогенные вещества являются ядовитыми для большинства живых организмов. Особую опасность для жизни представляют радиоактивные вещества, прошедшие в производстве стадию обогащения, то есть повышения концентрации до таких размеров, в которых в природе они не встречаются.

Наибольшую роль на планете играет именно живое вещество. Рассмотрим его основные свойства.

1. Высокая химическая активность благодаря биологическим катализаторам (ферментам).

В живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не соединяются, даже в лабораторных печах при 1000-градусной жаре. Живые организмы, например, способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при нормальных атмосферных условиях, что в промышленных условиях требует температуры порядка 500 град. и давления 300-500 атмосфер.

2. Высокая скорость протекания реакций.

Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе; например, некоторые гусеницы потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела; дождевые черви, совокупная масса которых в 10 раз больше биомассы всего человечества, за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы; сурки, суслики и т.п. в результате своей деятельности создают своеобразный ландшафт местности; практически все осадочные породы (слой 3 и более километров) на 95-99 % переработаны живыми организмами; вся углекислота проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза за 6-7 лет, вся вода Земли - за 5-6 млн лет.

3. Высокая скорость обновления живого вещества.

В среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни). За всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.

4. Способность быстро занимать все свободное пространство.

Вернадский назвал это "всюдностью жизни". По словам Вернадского, “живое вещество - совокупность организмов, - подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его движению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов”. Именно это свойство позволило сделать вывод о постоянстве количества живого вещества во все эпохи. Некоторые микроорганизмы могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности. Так, например, численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 минуты. Кроме того, жизнь обладает способностью увеличивать поверхность своего тела. Например, площадь листьев растений на 1 га, составляет 8-10 га и более. То же относится и к корневым системам.

5. Активность движения вопреки принципу роста энтропии.

Вся история жизни есть свидетельство борьбы с энтропией, то есть с силами разрушения. Жизнь сопротивляется естественному ходу событий, направленному на установление равновесия в природе. Наиболее показательными в этом плане являются такие примеры, как движение рыб против течения реки, движение птиц против силы тяжести и воздушных потоков и т.п.

6. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

В любом живом организме, в том числе и в организме биосферы, жизнь и смерть не могут обходиться друг без друга. Мы живем потому, что в нас беспрерывно что-то умирает и заменяется новым, а нарождающееся через развитие приходит к своей гибели. Любая подсистема организма после смерти должна вернуть вещество в круговорот жизни. Это обеспечивает бесконечность жизненного процесса.

7. Высокая приспособительная способность (адаптация).

Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к абсолютному нулю, другие встречаются в термальных источниках с температурой до 140 град., в жерлах вулканов, в сверхглубоких впадинах океана, в водах атомных реакторов, бескислородной среде и т.п.

Функции живого вещества в биосфере

1. Энергетическая - аккумулирование энергии и ее перераспределение по пищевым цепям.

Жизнь возникает в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, как ответ на рост энтропии, то есть на рассеяние энергии в окружающей среде. Поэтому концентрация энергии - это наиболее естественная функция жизни. Наличие живой оболочки планеты препятствует остыванию ее поверхности, аккумулируя в себе энергию, излучаемую в космос. Правда, сейчас жизнь биосферы развивается в основном в потоке солнечной энергии, аккумулируя ее в себе и препятствуя прямому отражению ее в космос. Эта энергия передается по пищевой цепи от одной формы жизни к другой. По мере этого движения ее энтропия значительно возрастает. В конечном итоге она переходит в тепловую форму и излучается за пределы планеты. Поэтому энтропия излучения, отраженного с поверхности планеты, оказывается существенно больше энтропии излучения, поглощаемого планетой. Именно за счет этой разницы энтропий существует жизнь на планете.

Таким образом, основным механизмом накопления энергии в биосфере является реакция фотосинтеза. Имеется также довольно незначительный процент хемосинтезирующих живых существ, чей жизненный цикл опирается на энергию химических соединений. Это разного рода бактерии (железобактерии, серобактерии, азотобактерии и др.). Обнаружены целые экосистемы, функционирование которых основано на активности хемосинтезирующих бактерий и не зависящих от продуктов фотосинтеза. Это глубоководные системы, где в абсолютной темноте вблизи выходов горячей воды, богатой минеральными солями и серой, помимо бактерий существуют и уникальные многоклеточные животные, типа двустворчатых моллюсков длиной около 30 см и трехметровые черви, получающие энергию от хемосинтезирующих бактерий. Возможно, было время, когда такие формы жизни были более разнообразными и заполняли всю поверхность Земли, до которой ввиду интенсивной вулканической деятельности не могли пробиться солнечные лучи.

2. Окислительно-восстановительная - окисление вещества в процессе жизнедеятельности и восстановление в процессе разложения при дефиците кислорода.

Наряду с фотосинтезом в зеленых растениях на Земле происходит почти равное ему по масштабу окисление органических веществ в процессе дыхания, брожения, гниения с выделением воды, углекислого газа и теплоты, которая после этого излучается в космическое пространство. Существенно меньшая часть энергии Солнца консервируется в земной коре, или, по словам Вернадского, “уходят в геологию”, формируя залежи каменного угля, нефти, торфа и т.п. Эти процессы связаны с протеканием в бескислородной среде реакций восстановления, сопровождающихся образованием и накоплением сероводорода и метана.

3. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

Фотосинтез привел к постепенному уменьшению в атмосфере углекислоты и накоплению кислорода и озона. При этом в развитии биосферы наблюдалось по крайней мере два переломных момента: первая точка Пастера (1.2 млрд лет назад), когда количество кислорода достигло 1 % от современного уровня и появились первые аэробные организмы (живущие только в кислородной среде, в отличие от анаэробных, живущих в бескислородной среде); вторая точка Пастера, когда количество кислорода достигло 10 % от современного уровня , создались условия для синтеза озона и озонового слоя, что защитило организмы от ультрафиолетовых лучей. До этого данную функцию выполняли густые водяные облака.

4. Деструктивная - разрушение погибшей биоорганики и костных веществ.

Это один из важнейших элементов круговорота веществ в биосфере, обеспечивающего непрерывность жизни путем превращения сложных органических соединений в минеральные вещества, необходимые для растений, стоящих в самых первых звеньях пищевых цепей. Практически все живые организмы биосферы за исключением растений в той или иной мере являются деструкторами (разрушителями). Однако главная роль в этом процессе принадлежит грибам и бактериям. Л.Пастер назвал бактерии “великими могильщиками природы”. Одновременно жизнь участвует и в разрушении костных веществ (в частности горных пород), доводя их постепенно до состояния, после которого они могут быть вовлечены в круговорот жизни (так измельченные горные породы являются необходимым компонентом почвы).

5. Рассеивающая - рассеяние живого вещества на больших пространствах.

Например, рассеяние гемоглобина крови кровососущими или рассеяние органики экскрементов или трупов разного рода деструкторами.

6. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные элементы окружающей среды.

Любое живое существо в процессе своей жизнедеятельности буквально по молекулам собирает из окружающей среды необходимые для него вещества и консервирует их в своей структуре. Поэтому, например, концентрация марганца в теле некоторых организмов превышает его концентрацию в окружающей среде в миллионы раз. В условиях антропогенного загрязнения окружающей среды побочным следствием этого может являться накопление растениями, которые мы потребляем в пищу, веществ, которые являются токсичными для нашего организма. Результатом концентрационной деятельности живых организмов являются залежи руд, известняков, горючих ископаемых и т.п.

7. Транспортная - перенос и перераспределение вещества и энергии.

Это является одним из механизмов рассеивающей функции живого вещества. Часто такой перенос осуществляется на громадные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. Это может также способствовать и концентрации элементов среды, достаточно вспомнить птичьи базары.

8. Средообразующая - преобразование физико-химических параметров окружающей среды.

В широком смысле результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают ее в определенном стабильном состоянии. Так состав атмосферы и гидросферы - это продукт жизнедеятельности в биосфере. Живые организмы создали особый тип биокостного вещества - почвы. Коралловые заросли создают в океанах целые острова. Примером могут также служить леса, в которых микроклимат существенно отличается от микроклимата поля. Анализ показывает, что при отсутствии жизни на Земле, условия на ней были бы такими, что по нашим понятиям жизнь на ней была бы попросту невозможной. Ее атмосфера на 98 % состояла бы из углекислого газа (сейчас около 0.03 %), на 1,9 % - из азота (сейчас на Земле 79 % азота, являющегося вопреки своему названию (азот - не поддерживающий жизни) основным элементом при построении аминокислот), кислорода практически не было бы (сейчас 21 %), средняя температура поверхности 290 ± 50оС, не оставляющая никаких шансов на наличие воды в жидком состоянии. Словом, условия весьма похожие на условия планеты Венера.

9. Информационная - накопление информации и закрепление ее в наследственных структурах.

Основные этапы эволюции биосферы

Эволюция органического мира, осуществлявшаяся на основании только биологических закономерностей жизнедеятельности и развития, происходила в два этапа:

* возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом (химическая эволюция по А.И.Опарину) примерно 4,6-3,5 млрд лет тому назад;

* усложнение биоценоза как результат появления многоклеточных организмов (органическая эволюция), начиная примерно с 3,5 млрд лет назад.

Возникновение на Земле человеческого общества способствовало выделению третьего этапа эволюции биосферы - ноосферы.

Ноосфера (по В.И.Вернадскому) - высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человека, с периодом, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития на Земле. Центральная мысль теории Вернадского о развитии биосферы - невозможность человечества существовать вне биосферы, неотделимость человечества от биосферы, которая и определяет главную цель построения ноосферы.

В современном понимании ноосфера - это гипотетическая стадия развития биосферы, когда в будущем разумная деятельность людей станет главным определяющим фактором её устойчивого развития.

Гармония антропогенной деятельности человек и природы возможна при выполнении следующих условий:

* контроль численности человечества;

* разумное ограничение потребностей;

* рациональное использование природных ресурсов;

* экологизация промышленности;

* глобальный мониторинг за состоянием природной среды;

* отказ человечества от войн как способа регулирования конфликтов и т.д.

Определенный шаг в направлении перехода биосферы в ноосферу - осознание и провозглашение необходимости перехода мирового сообщества на позиции устойчивого развития.



2. Экологичческие проблемы ,возникающие в результате антропогенного воздействия на гидросферу и литосферу

загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ.

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов; болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире -- на каждого жителя России приходится свыше 30 000 м3/год воды. Однако в настоящее время из-за загрязнения или засорения около 70% рек и озер России утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения, и результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду (Государственный доклад «Вода питьевая», 1995).

Нарушено исторически сложившееся равновесие в водной среде Байкала -- уникальнейшем озере нашей планеты, которое, по подсчетам ученых, могло бы обеспечивать чистой водой все человечество в течение почти полустолетия. Только за последние 15 лет загрязнено более 100 км3 байкальской воды. На акваторию озера ежегодно поступает более 8500 т нефтепродуктов, 750 т нитратов, 13 тыс. т хлоридов и других загрязнителей. Ученые полагают, что только размеры озера и огромный объем водной массы, а также способность биоты участвовать в процессах самоочищения спасают экосистему Байкала от полной деградации.

Главные загрязнители вод. Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, обще санитарному или органолептическому, вода считается загрязненной

Основные виды загрязнения вод. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.

Химическое загрязнение -- наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок, и т. д., однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнений носит временный характер Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. В воде рек, протекающих по территории России, присутствуют цезий-137, стронций - 90 и тритий, поступающие в реки за счет смыва с водосборов, загрязненных глобальными выпадениями этих изотопов от проводившихся ранее испытаний ядерного оружия в атмосфере. Концентрации стронция - 90 и трития в 1991 г. незначительно отличались от уровня 1990 г. Из рек, протекающих по территории, подвергшейся загрязнению вследствие аварии на Чернобыльской АЭС, наиболее высокие уровни загрязнения цезием - 137 и стронцием-90 в 1991 г.

В районе ПО «Маяк» на Южном Урале в 1991 г. на р. Теча концентрация стронция - 90 снизилась по сравнению с уровнем предыдущего года. Повышенные уровни радиоактивного загрязнения наблюдались в р. Енисей, куда сбрасываются охлажденные воды прямоточного реактора Красноярского горно-химического комбината. В месте сброса загрязненных вод регистрировались короткоживущие изотопы, такие, как натрий - 24, хром -51, марганец - 54, мышьяк - 76. Концентрация натрия - 24 в 9 раз превышала установленный норматив, а концентрации других изотопов в 5--100 раз были ниже норматива. В пос. Атаманово (первый населенный пункт ниже по течению от места сброса) концентрация натрия - 24 в 1,3--2 раза ниже норматива

В морях, омывающих территорию России, концентрация стронция-90 в 1991 г. практически не изменилась по сравнению с уровнем 1990 г. Максимальная концентрация наблюдалась в Черном море.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусором), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов - сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышаться более чем на 3°С летом и 5°С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12-17 кДж/м3.



Основные виды загрязнения гидросферы

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами приводит к появлению нефтяных пятен, что затрудняет процессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечных лучей, а также вызывает гибель растений и животных. Каждая тонна нефти создает нефтяную пленку на площади до 12 кв. км. Восстановление пораженных экосистем занимает 10-15 лет.

Загрязнение сточными водами в результате промышленного производства, минеральными и органическими удобрениями в результате сельскохозяйственного производства, а также коммунально-бытовыми стоками ведет к эвтрофикации водоемов - обогащению их питательными веществами, приводящему к чрезмерному развитию водорослей, и к гибели других водных экосистем с непроточной водой (озер, прудов), а иногда к заболачиванию местности.

Загрязнение ионами тяжелых металлов нарушает жизнедеятельность водных организмов и человека.

Кислотные дожди приводят к закислению водоемов и к гибели экосистем.

Радиоактивное загрязнение связано со сбросом в водоемы радиоактивных отходов.

Тепловое загрязнение вызывает сброс в водоемы подогретых вод ТЭС и АЭС, что приводит к массовому развитию сине-зеленых водорослей, так называемому цветению воды, уменьшению количества кислорода и отрицательно влияет на флору и фауну водоемов.

Механическое загрязнение повышает содержание механических примесей.

Бактериальное и биологическое загрязнение связано с разными патогенными организмами, грибами и водорослями.

Мировое хозяйство сбрасывает в год 1500 куб. км сточных вод разной степени очистки, которые требуют 50-100-кратного разбавления для придания им естественных свойств и дальнейшего очищения в биосфере. При этом не учитываются воды сельскохозяйственных производств. Мировой речной сток ( 37,5-45 тыс. куб. км в год) недостаточен для необходимого разбавления сточных вод.

Загрязнение океанов и морей. Ежегодно в Мировой океан попадает более 10 млн. т нефти и до 20% его площади уже покрыты нефтяной пленкой. В первую очередь это связано с тем, что добыча нефти и газа в Мировом океане стала важнейшим компонентом нефтегазового комплекса. В 1993 году в океане добыто 850 млн. т нефти (почти 30% мировой добычи). В мире пробурено около 2500 скважин, из них 800 в США, 540 - в Юго-Восточной Азии, 400 - в Северном море, 150 - в Персидском заливе. Эти скважины пробурены на глубинах до 900 м.

Загрязнение гидросферы водным транспортом происходит по двум каналам. Во-первых, морские и речные суда загрязняют ее отходами, получаемыми в результате эксплуатационной деятельности, и, во-вторых, выбросами в случае аварий токсичных грузов, большей частью нефти и нефтепродуктов. Энергетические установки судов (в основном дизельные двигатели) постоянно загрязняют атмосферу, откуда токсичные вещества частично или почти полностью попадают в воды рек, морей и океанов.

Нефть и нефтепродукты являются главными загрязнителями водного бассейна. На танкерах, перевозящих нефть и ее производные, перед каждой очередной загрузкой, как правило, промываются емкости (танки) для удаления остатков ранее перевезенного груза. Промывочная вода, а с ней и остатки груза обычно сбрасываются за борт. Кроме того, после доставки нефтегрузов в порты назначения танкеры чаще всего направляются к пункту новой погрузки порожними. В этом случае для обеспечения надлежащей осадки и безопасности плавания танки судна наполняются балластной водой. Эта вода загрязняется нефтяными остатками, а перед погрузкой нефти и нефтепродуктов выливается в море. Из общего грузооборота мирового морского флота в настоящее время 49% падает на нефть и ее производные. Ежегодно около 6000 танкеров международных флотилий транспортируют 3 млрд. т нефти. По мере роста перевозок нефтегрузов все большее количество нефти стало попадать в океан при авариях.

Происходит загрязнение океана и другими видами отходов промышленности. Во все моря мира сброшено примерно 20 млрд. т мусора (1988 год). Подсчитано, что на 1 кв. км океана приходится в среднем 17 т отбросов. Зафиксировано, что за один день в Северное море было сброшено 98 тыс. т отбросов (1987 год).

ФРГ, Бельгия, Голландия, Англия сбрасывали в Северное море ядовитые кислоты, в основном 18-20%-ную серную кислоту, тяжелые металлы с грунтом и осадками сточных вод, содержащими мышьяк и ртуть, а также углеводороды, в том числе ядовитый диоксин (1987 год). К тяжелым металлам относится ряд элементов, широко применяемых в промышленности: цинк, свинец, хром, медь, никель, кобальт, молибден и др. При попадании в организм большинство металлов очень трудно выводятся, имеют свойство постоянно накапливаться в тканях разных органов, и при превышении определенной пороговой концентрации наступает резкое отравление организма.

В результате добычи нефти из трубопроводов, связывающих нефтяные платформы с материком, каждый год в море вытекало около 30000 т нефтепродуктов. Последствия этого загрязнения нетрудно видеть. Целый ряд видов, которые некогда обитали в Северном море, в том числе лосось, осетр, устрицы, скаты и пикша, просто-напросто исчезли. Гибнут тюлени, другие обитатели этого моря нередко страдают от инфекционных заболеваний кожи, имеют деформированный скелет и злокачественные опухоли. Гибнет птица, питающаяся рыбой или отравившаяся морской водой. Наблюдалось цветение ядовитых водорослей, которое привело к уменьшению рыбных запасов (1988 год).

Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота.

Перечень веществ контролируемых в подземных водах не регламентирован, поэтому нельзя составить точную картину о загрязнении подземных вод.

Состав сточных вод и их классификация. Водоотводящие системы и сооружения - это один из видов инженерного оборудования и благоустройства населенных пунктов, жилых, общественных и производственных зданий, обеспечивающих необходимые санитарно-гигиенические условия труда, быта и отдыха населения. Системы водоотведения и очистки состоят из комплекса оборудования, сетей и сооружений, предназначенных для приема и удаления по трубопроводам бытовых производственных и атмосферных сточных вод, а также для их очистки и обезвреживания перед сбросом в водоем или утилизацией.

Объектами водоотведения являются здания различного назначения, а также вновь строящиеся, существующие и реконструируемые города, поселки, промышленные предприятия, санитарно-курортные комплексы и т.п.

Сточные воды - это воды, использованные на бытовые, производственные или другие нужды и загрязненные различными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.

В зависимости от происхождения вида и состава сточные воды подразделяются на три основные категории: бытовые, производственные, атмосферные.

Бытовые сточные воды (от туалетных комнат, душевых, кухонь, бань, прачечных, столовых, больниц; они поступают от жилых и общественных зданий, а также от бытовых помещений) образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности людей.

В сточных водах содержатся примеси минерального и органического происхождения. Можно принять что минеральные загрязнения в бытовых сточных водах в виде нерастворенного вещества - 5%, суспензии - 5%, коллоиды - 2% и растворимые вещества - 30%. Для органических веществ эти проценты соответственно следующие: нерастворимые - 15%, суспензии - 15%, коллоиды - 8% и растворимые - 20% .

Минеральные соединения представлены солями аммония, фосфатами, хлоридами, гидрокарбонатами и другими соединениями. Бытовые сточные воды имеют обычно слабощелочную реакцию среды (рН=7,2 - 7,8). Органические вещества бытовых сточных вод можно разделить на две группы: безазотистые и азотосодержащие вещества. Основная часть безазотистых органических веществ представлена углеводами и жирами. Азотосодержащие органические соединения представлены белками и продуктами их гидролиза. Особую форму примеси бытовых сточных вод представляют микроорганизмы. Иногда могут присутствовать и болезнетворные формы микроорганизмов (бактерии и вирусы).

Состав производственных сточных вод (воды, использованные в технологических процессах, не отвечающие более требованиям, предъявляемым к их качеству; к этой категории относят также воды, откачиваемые на поверхность земли при добыче полезных ископаемых) зависит от характера производственного процесса и отличается большим многообразием. В зависимости от состава примесей и специфичности их действия на водные объекты сточные воды могут быть разделены на следующие группы:

- Воды, содержащие неорганические примеси со специфичными токсичными свойствами. Сюда входят стоки металлургии, гальванических цехов, предприятия, машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности, заводы по производству кислот, строительных изделий и материалов, минеральных удобрений и другие. Они могут вызвать изменение рН воды водоёмов. Соли тяжёлых металлов являются токсичными по отношению к водным организмам.

- Воды, в которых неорганические примеси не обладают токсичным действием. К этой группе относятся сточные воды рудообогатительных фабри, цементных заводов и других. Примеси такого типа находятся во взвешенном состоянии. Для водоёма особой опасности эти воды не представляют.

- Воды, содержащие нетоксичные органические вещества. Сюда входят сточные воды в основном предприятий пищевой промышленности (мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, микробиологической, химической промышленности, заводы по производству каучука, пластмасс и другие). При попадании их в водоем возрастает окисляемость, БПК, снижается концентрация растворённого кислорода.

- Воды , содержащие органические вещества со специфическими токсичными свойствами. К этой группе относятся сточные воды нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности; заводы по производству сахара, консервов, продуктов органического синтеза и другие.

Степень загрязнённости атмосферных вод (дождевые и талые воды отводятся вместе с водами от полива улиц, фонтанов и дренажей) зависит от многих факторов, в том числе от общей санитарной обстановки населённого пункта. Принятая технология сухой уборки улиц не обеспечивает полного удаления загрязнений. Мусор с проезжей части дорог содержит значительное количество органики, биогенов , нефтепродуктов солей тяжёлых металлов. Загрязнённость дождевого стока зависит от его расхода. При расходе менее 25 л/с га сточные воды практически не смывают загрязнений и поэтому загрязнённость их минимальна. По мере увеличения расхода стока в нём растут концентрации взвешенных веществ, фосфора и азота, достигая максимума непосредственно пред пиком дождя. Основная часть загрязнённых дождевых вод поступает в канализацию в начале дождя. Максимальная величина БПК воды наблюдается в летние месяцы, а осенью они снижаются почти в 2 раза. Для биогенных веществ характерен пик ранней весной и второй пик наблюдается осенью после листопада.

Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные смеси, содержащие примеси органического и минерального происхождения, которые находятся в не растворенном , коллоидном и растворенном состоянии. Степень загрязнения сточных вод оценивается концентрацией, т. е. массой примесей в единицу объема мг/л или г/куб. м. Состав сточных вод регулярно анализируется. Проводятся санитарно-химические анализы по определению величины ХПК (общая концентрация органических веществ); БПК (концентрация органических соединений, окисляемых биологическим путем); концентрация взвешенных веществ; активной реакции среды; интенсивности окраски; степени минерализации; концентрации биогенных элементов (азота, фосфора, калия) и др. Для разработки рациональной схемы водоотведения и оценки возможности повторного использования сточных вод изучается состав и режим водоотведения не только общего стока промышленного предприятия, но также сточных вод от отдельных цехов и аппаратов. Помимо определения основных санитарно-химических показателей в производственных сточных водах определяются концентрации специфических компонентов, содержание которых предопределяется технологическим регламентом производства и номенклатурой применяемых веществ.

В составе инженерных коммуникаций промышленного предприятия, как правило, имеется несколько водоотводящих сетей. Незагрязненные нагретые сточные воды поступают на охладительные установки (брызгальные бассейны, градирни, охладительные пруды), а затем возвращаются в систему оборотного водообеспечения. Загрязненные сточные воды поступают на очистные сооружения, а после очистки часть обработанных сточных вод подается в систему оборотного водообеспечения в те цеха, где ее состав удовлетворяет нормативным требованиям.

Эффективность использования воды на промышленных предприятиях оценивается такими показателями, как количество использованной оборотной воды, коэффициентом ее использования и процентом ее потерь.

Для промышленных предприятий составляется баланс воды, включающий расходы на различные виды потерь, сбросы и добавление компенсирующих расходов воды в систему. Проектирование вновь строящихся и реконструируемых систем водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий должно осуществляться на основе утвержденных в установленном порядке схем развития и размещения отрасли народного хозяйства, отраслей промышленности и схем развития и размещения производительных сил по экономическим районам. При выборе систем и схем водоотведения должна учитываться техническая, экономическая и санитарная оценки существующих сетей и сооружений, предусматриваться возможность интенсификации их работы.

При выборе системы и схемы водоотведения промышленных предприятий необходимо учитывать:

требования к качеству воды, используемой в различных технологических процессах;

количество, состав и свойства сточных вод от дельных производственных цехов и предприятия в целом, а также режимы водоотведения;

возможность сокращения количества загрязненных производственных сточных вод путем рационализации технологических процессов производства ;

возможность повторного использования производственных сточных вод в системе оборотного водообеспечения или для технологических нужд другого производства, где допустимо применять воды более низкого качества;

целесообразность извлечения и использования веществ, содержащихся в сточных водах;

возможность и целесообразность совместного отведения и очистки сточных вод нескольких близко расположенных промышленных предприятий, а также возможность комплексного решения очистки сточных вод промышленных предприятий и населенных пунктов;

возможность использования в технологическом процессе очищенных бытовых сточных вод;

возможность и целесообразность использования бытовых и производственных сточных вод для орошения сельскохозяйственных и технических культур;

целесообразность локальной очистки сточных вод отдельных цехов предприятия;

само очищающую способность водоема, условия сброса в него сточных вод и необходимую степень их очистки;

целесообразность применения того или иного метода очистки.

При вариантном проектировании водоотводящих систем и очистных сооружений на основании технико-экономических показателей принимается оптимальный вариант.

На литосферу

Воздействия на почвы

В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем. Причина неустойчивого состояния агроэкосистем обусловлена их упрощенным фитоценозом, который не обеспечивает оптимальную саморегуляцию, постоянство структуры и продуктивности. И если у природных экосистем биологическая продуктивность обеспечивается действием естественных законов природы, то выход урожая в агроэкосисте максимально и всецело зависит от такого субъективного фактора, как человек, уровня его агрономических знаний, технической оснащенности, социально-экономических условий и так далее, а значит, остается непостоянным.

Основные виды антропогенного воздействия на почвы следующие:

· эрозия (ветровая и водная);

· загрязнение;

· вторичное засоление и заболачивание;

· опустынивание;

· отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

Эрозия почв

Под эрозией почв понимают разрушение и снос верхних наиболее плодородных

горизонтов и подстилающих пород ветром или потоками воды. Что и является ветровой и водной эрозией почв. Такие земли приобретают статус эродированных земель.

По мимо основных видов перечисленных выше эрозий существуют:

· промышленная (разрушение сельскохозяйственных земель при строительстве и разработке карьеров);

· военная (воронки, траншеи);

· пастбищная (при интенсивной пастьбе скота);

· ирригационная (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др.

Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром. Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы.

Различают местную (повседневную) ветровую эрозию и пыльные бури. Первая проявляется в виде поземок и столбов пыли при небольших скоростях ветра.

Пыльные бури возникают при очень сильных и продолжительных ветрах. Скорость ветра достигает 20--30 м/с и более. Наиболее часто пыльные бури наблюдаются в засушливых районах (сухие степи, полупустыни, пустыни). Пыльные бури безвозвратно уносят самый плодородный верхний слой почв, негативно влияют на все компоненты окружающей среды, загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека.

Под водной эрозией понимают разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают следующие формы водной эрозии: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии, условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека. В частности, появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, разрушающей структуру почвы. Другие негативные антропогенные факторы: уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др. Среди различных форм проявления водной эрозии значительный вред окружающей среде и в первую очередь почвам приноситовражная эрозия. Экологический ущерб от оврагов огромен. Овраги уничтожают ценные сельскохозяйственные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густорасчлененный рельеф.

Загрязнение почв

Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений - токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Основные загрязнители почвы:

...