Основы экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Уровни биологической организации

Экология - это наука об изучении взаимоотношений живых организмов с окружающей средой.

Предметом изучения экологии являются уровни биологической организации от организма до экосистемы.

Организм

Организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой. Все живые организмы обладают рядом признаков и свойств, которые отличают их от тел неживой природы:

- Высокоупорядоченное строение в виде определенной схемы - клеточная или неклеточная.

- Обмен веществ и энергии - совокупность процессов дыхания, питания, выделения.

- Раздражимость - способность организмов на ответную реакцию в отношении воздействия среды обитания и является основой адаптации.

- Размножение - способность к воспроизводству.

- Движение, в том числе и то, которое происходит внутри организма и в самой клетке.

- Саморегуляция, за счет которой обеспечивается постоянство внутренней среды организма при непрерывно изменяющихся факторах внешней среды.

- Наследственность - способность передавать признаки и свойства организма из поколения в поколение в процессе размножения.

- Изменчивость - способность организма изменять свои признаки под действием факторов внешней среды.

2. Вид - экологическая единица

Вид - это совокупность особей, обладающих сходством внутреннего и внешнего строения, биохимических и физиологических функций, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни, обладающих определенным типом взаимоотношений с абиотической (косной) и биотической средой и занимающих в природе определенную область - ареал.

Виды отличаются друг от друга многими признаками. Характерные для вида признаки и свойства называют критериями. Как видно из определения, среди критериев различают: морфологический, физиологический, цитогенетический, экологический и географический.

Благодаря многообразию экологических факторов наблюдается закономерное расселение видов по планете. Колебания интенсивности экологических факторов проявляются в исчезновении некоторых видов с определенных территорий, изменении плотности популяций, показателей рождаемости, смертности.

Виды часто занимают большой ареал, в пределах которого особи распределены неравномерно, группами - популяциями. Каждая популяция живет в определенных условиях. Благодаря этому вид, состоящий из ряда популяций, занимает большой ареал, несмотря на разнообразие условий в его пределах. Однако любой вид, состоящий как из одной, так и из нескольких популяций, представляет собой единое целое.

Целостность вида обусловлена связями между его особями: родственные связи родители заботятся о потомстве, особи общаются между собой через различные сигналы, вместе защищаются от врагов и т. д, которые обеспечивают существование вида как целостной системы.

Эта целостность вида достигается также и его обособленностью от других видов. Осо0и разных видов различаются по числу и форме хромосом. Это является причиной их морфологических и физиологических различий, вследствие чего особи не могут скрещиваться между собой.

Особи разных видов живут в различных условиях, им присущи разные признаки, особенности размножения (разные места и периоды размножения, различия в поведении животных).

3. Популяция

Популяция - это естественные группировки особей одного вида, заселяющих общие места обитания и связанных общностью генофонда и функциональными закономерными взаимодействиями. Она является основой существования биоты, в ней происходит самовоспроизводство живого вещества, она обеспечивает выживание вида, дает начало новым популяциям.

Основная функция популяции - сохранение и воспроизведение вида в данных условиях. Эта функция обеспечивается формированием закономерных взаимоотношений, на основе которых поддерживается и регулируется размножение.

Популяции пространственно структурированы, что определяет эффективность использования ресурсов среды.

Территориальные границы определяются у немигрирующих животных

В целом популяции обладают всеми признаками самостоятельной функционирующей биологической системы.

Статистическими параметрами популяции являются численность и плотность популяций.

Численность - это общее число особей, обитающих на какой-либо территории.

Плотность - это величина, определяющаяся числом особей или биомассой по отношению к единице пространства.

В естественных условиях численность и плотность популяции определяется регулирующими экологическими факторами.

Каждая популяция структурирована по возрасту - соотношение количества особей различного возраста в популяции, по половому признаку - соотношение полов.

Динамическими параметрами является рождаемость и смертность и скорость роста популяций.

Рождаемость или скорость рождаемости - это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени. Смертность - это число особей, погибших в популяции за единицу времени. В стабильной популяции рождаемость равна смертности и численность популяции почти не меняется, разновозрастные группы находящиеся примерно в одинаковом соотношении.

Главной составляющей популяции является особь или организм.

Именно организм представляет собой ту биологическую единицу, на уровне которой осуществляется обмен веществ и которая находится в тесных взаимосвязях с другими организмами, и с факторами неживой природы.

4. Экосистема

Наука экология изучает организацию и функционирование живых систем более сложных, чем организм. Эти системы получили название экосистемы.

Экосистема - это безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии.

Главным предметом исследования при экосистемном подходе становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой.

Основные характеристики экосистемы ее размер, ее устойчивость, процессы самовосстановление, самоочищения.

Размер экосистемы - пространство, в котором возможно осуществление процессов саморегуляции и самовосстановления всех составляющих экосистемы компонентов и элементов. Микроэкосистемы - подушка лишайника; мезоэкосистемы - пруд, озеро, степь; макроэкосистемы - континент, океан; глобальная экосистема - биосфера Земли.

Самовосстановление природной экосистемы - самостоятельный возврат природной экосистемы к состоянию динамического равновесия, из которого она была выведена воздействием природных и антропогенных факторов.

Самоочищение - естественное разрушение загрязнителя в среде в результате процессов происходящих в экосистеме.

Природные экосистемы - это открытые системы. Они должны получать и отдавать вещества и энергии.

Экосистемы обладают способностью противостоять изменениям и сохранять равновесие - гомеостаз. Гомеостаз - механизм, посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на постоянном уровне. Для управления экосистемами не требуется регуляция из вне - это саморегулирующая система. Саморегулирование осуществляется по принципу обратной связи.

Гомеостаз обеспечен множеством управляющих механизмов. Смещение равновесия между видами вызывает значительные изменения. Равновесие в живой природе является динамичным, а не статичным.

5. Категории организмов

Взаимоотношения между видами, находящимися на различных функционально связанных пищевых (трофических) уровнях, образуют систему трофических (пищевых) цепей, которые в свою очередь формируют трофическую структуру биоценоза.

Продуценты - это живые организмы, способные синтезировать органическое вещество из неорганического с использованием внешних источников энергии. Это в основном растительные организмы - автотрофы. Эта категория живых организмов в природных сообществах играет определяющую главенствующую роль в производстве органического вещества.

Продуценты по характеру источника энергии подразделяют на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.

Накопление энергии в растениях происходит в результате процесса фотосинтеза. Сущность процесса заключается в том, что при воздействии солнечной энергии, при наличии хлорофилла из простых неорганических соединений образуются сложные органические, например, (в упрощенном виде):

6СО₂ + 6Н₂О > С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

В процессе фотосинтеза выделяется кислород, необходимый для живых организмов. Реальный процесс фотосинтеза представляет собой цепь более сложных реакций. Фотосинтез - единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасенный в продуктах фотосинтеза энергия - основной источник энергии для человечества. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд т органического вещества и выделяется около 200 млн т свободного кислорода.

Хемосинтез - процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из СО₂ за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода)

Суммарная масса продуцентов на Земле занимает более 95% массы всех живых организмов.

Консументы - это организмы, которые для построения собственного тела должны потреблять органическое вещество извне в виде пищи. Консументы являются гетеротрофами.

Консументы делятся на порядки.

Консументы 1-го порядка - животные, питающие растениями, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ.

2-го порядка - хищники и паразиты растительных организмов.

3 - 4-го порядка - сверхпаразиты.

Редуценты - организмы, питающиеся разлагающимися организмами. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (мин. Соли, углекислый газ, воду), поступающих в почву и вновь потребляемых растениями.

Категории организмов составляют трофические (пищевые) цепи. Трофические цепи имеют важнейшее значение для функционирования биогеоценозов и играют определяющую роль во взаимоотношениях живых организмов. При изучении любой биотической системы можно проследить различные трофические цепи. Они никогда не бывают изолированными, они соединены между собой, образуя сеть сложных взаимоотношений.

Совместная деятельность продуцентов, консументов, редуцентов определяет непрерывное поддержание глобального биологического круговорота веществ в биосфере Земли.

6. Правило пирамиды

В стабильных сообществах биомасса остается постоянной. Биомасса животных не может быть велика по сравнению с биомассой растений и составляет всего около 2% общей биомассы живого вещества, образуя так называемую пирамиду биомассы. Биомасса 1 трофического уровня - продуценты, 2- консументы 1, 3 - консументы 2. Итак, суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Известны три основных типа экологических пирамид:

1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне, количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам неуклонно уменьшается .

2) пирамида биомассы, суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников..

3) пирамида продукции или энергии, показывающая изменение первичной продукции или энергии на последовательных трофических уровнях.

Пирамида продукции отражает законы расходования энергии в трофических цепях. В стабильных системах биомасса изменяется незначительно. Знание энергетики экосистемы и количественные ее показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.

7. Круговорот веществ

Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятие морского дна и т. д.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий, грибов и т. д. Разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаются ими в поток вещества.

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Здесь реализуется закон сохранения вещества: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений. В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях, и запас их никогда не истощается.

Итак, экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Жизнь в экосистемах поддерживается за счет энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому.

Таким образом, любая живая система поддерживает свою жизнедеятельность за счет, в первую очередь энергии Солнца, находящейся в окружающей среде в избытке, во-вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду. При этом если энергию солнечного излучения принять за 100%, то лишь 15% ее достигает поверхности Земли и лишь 1% связывается в виде органического вещества растительности, а из этого процента только половина составляет рост биомассы (0,5%) за счет фотосинтеза.

8. Законы функционирования экосистем

1) природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно.

2) Перенос энергии и вещества через сообщество живых организмов в экосистеме происходит по пищевой цепи.

3) Природные экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собственными отходами. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

9. Биосфера

Самой крупной и стабильной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является биосфера.

Биосфера - «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин был введен в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Зюсс рассматривал биосферу в чисто топологическом смысле - как пространство, заполненное жизнью. Развернутое учение о биосфере создано и разработано ак. Вернадским В.И. опубликовавшем в 1926 г. свой классический труд «Биосфера». Он рассматривал биосферу с одной стороны как оболочку Земли, в которой существует жизнь, состоящую из газовой (атмосфера), водной (гидросфера) и каменной (литосфера) оболочек земного шара, области распространения жизни. С другой стороны Вернадский подчеркивал, что биосфера не просто пространство, в котором обитают живые организмы, ее состав определяется деятельностью живых организмов, представляет собой результат их совокупной химической активностью в настоящем и в прошлом. Итак, биосфера - это активная оболочка Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое.

Границы биосферы определяются в атмосфере примерно на высоте 15-20 км т.е. на границах озонового слоя, глубиной в гидросфере 11 км, в литосфере следы жизни обнаружены на глубине чуть более 100 м.

В целом биосфера занимает слой примерно 30 км, в то время как средний радиус Земли составляет 6371 км.

Рассмотрим подробнее оболочки Земли.

Гидросфера - водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), подземные воды. Основная масса 94% сосредоточена в морях и океанах.

Площадь гидросферы составляет 70,8 % площади поверхности земного шара, а объем 0,1 % от объема Земли.

Происхождение воды на Земле до сих пор полностью не объяснено. Отдельные специалисты считают, что она образовалась в результате синтеза из водорода и кислорода при выделении их из недр Земли на первых этапах ее существования, а другие вслед за ак. Шмидтом О.Ю. предполагают, что вода попала на Землю при формировании планеты из космического пространства.

Современная атмосфера Земли по химическому составу относится к азотно-кислородному типу и этим качественно отличается от газовых оболочек всех известных ныне небесных тел. 78 % азота, 21 % кислорода.

Атмосфера защищает живые организмы от воздействия УФ-го излучения, предохраняет Землю от метеоритов и космической пыли, отражает тепло, излучаемое Землей в пространство, является источником дыхания живого вещества.

Литосфера - это каменная оболочка Земли, верхняя часть земной коры. Земная кора имеет два основных источника тепла от Солнца и от распада радиоактивных веществ, сосредоточенных на границе с верхней мантией. Выделяют 3 температурные зоны: переменных температур, постоянных температур, нарастания температур.

В зоне переменных температур диапазон колебаний определяется во многом климатом местности. Суточные колебания затухают на глубинах около 1,5 м, а сезонные - на глубинах 20-30 м.

На глубинах 20-40 м находится зона постоянной температуры, которая соответствует среднегодовой температуре данной местности. Далее температуры растут более или менее закономерно.

За миллионы лет существования биосферы должны были исчерпаться запасы химических элементов, поскольку их на Земле вполне конкретное количество. Но все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота.

10. Экологические факторы среды обитания

Все условия живой и неживой природы, которые окружают организм и прямо или косвенно влияют на его состояние, развитие, выживание, размножение входят в понятие среды обитания организма.

Окружающая среда - это пища и вода, воздух для дыхания, климатические факторы, субстрат, почва, растительные и животные организмы и всё другое, без чего не может существовать данный организм.

Отдельные элементы среды, действующие на организм, называют экологическими факторами. Различают две группы факторов абиотические и биотические, то есть факторы неживой и живой природы.

Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Биотические факторы - это все формы воздействия живых организмов друг на друга.

Огромное значение среди абиотических (физических) факторов среды отводится климату. Климат определяется многими показателями, важнейшие из которых: свет, температура и влажность. Кроме того, во многих местообитаниях организмы сильно зависят от кислотности и солёности среды обитания, от влияния воздушных и водных течений, от содержания кислорода в среде и др.

Взаимоотношения живых организмов друг с другом и составляют биотические факторы окружающей среды.

11. Законы воздействия абиотических факторов

Для жизни и процветания организмов необходимо наличие определённой совокупности условий. Если все условия оказываются благоприятными, за исключением одного, проявленного недостаточно или в слишком большом избытке, то в этом случае это последнее условие, называемое лимитирующим (ограничивающим) фактором, приобретает решающее значение для жизни.

В 1840 году немецкий физиолог Ю.Либих показал, что урожай сельскохозяйственных культур лимитируется не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах и обычно присутствуют в среде в изобилии (например, СО2 и Н2О), а теми, которые требуются в ничтожнейших количествах, но которых в среде очень мало (например, Zn).

Закон минимума (Либиха) гласит, что выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т.е. рост и развитие организма ограничивается нехваткой единственного элемента, который присутствует в минимальном количестве.

Отметим, что лимитирующим (ограничивающим) фактором может быть недостаток или избыток тепла, света, вод. Это понятие ввел американский зоолог В.Шелфорд, который сформулировал закон толерантности. Что лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум так максимум экологического воздействия, а диапозон между ними определяет величину выносливости (предел толератности). Следовательно, организмы можно охарактеризовать экологическим минимумом и экологическим максимумом, диапазон между этими двумя величинами составляет пределы его толерантности (устойчивости).

Дополнения к этому закону толерантности:

1. Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий - в отношении другого.

2. Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам наиболее широко распространены.

3. Пределы толерантности у организмов в период размножения обычно уже, чем у взрослых растений или животных.

По пределу толерантности организмы подразделяются на стеноэков и эвриэков, в которых используются приставки стено- (узкий) и эври- (широкий).

Живые организмы, которым требуются условия, ограниченные узкими пределами, носят название - стеноэков (стенотермные организмы, стеногалинные и др.). Другие организмы, наоборот, приспосабливаются к гораздо более изменчивым условиям (диапазон их толерантности гораздо шире), такие менее требовательные организмы называются эвриэками (эвритермные, эвригалинные и др.).

12. Биотические факторы. Взаимодействия между организмами

Ни один организм в сообществе (неважно, в лесу, пустыне, на пастбище, в пруду или на коралловом рифе) не существует изолированно от своего окружения. Он взаимодействует с другими живыми существами и с окружающей средой.

Живые организмы поселяются друг с другом не случайно, а образуют определенные сообщества, приспособленные к совместному обитанию. Среди огромного разнообразия взаимосвязей живых существ выделяют определенные типы отношений, имеющие много общего у организмов разных систематических групп. По направлению действия на организм все они подразделяются на позитивные, негативные и нейтральные.

Взаимоотношения живых организмов друг с другом и составляют биотические факторы окружающей среды.

Позитивные отношения - симбиоз.

Симбиоз - сожительство (от греч. sym - вместе, bios - жизнь), форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекает пользу от другого. Различают несколько форм взаимополезного сожительства живых организмов.

Кооперация. Это взаимовыгодное сожительство

Мутуализм.(от лат. mutuus - взаимный) Широко распространена форма взаимополезного сожительства, когда присутствие партнера становится обязательным условием существования каждого из них.

Комменсализм (от , com - вместе, mensa - пеза) Одна из широко распространенных форм симбиоза - взаимоотношении; при которых один вид получает пользу от сожительства, а другому это безразлично.

Антибиотические отношения.

Антибиоз - форма взаимоотношений, при которой обе взаимодействующие популяции или одна из них испытывают отрицательное влияние. Неблагоприятное влияние одних видов на другие может проявляться в разных формах.

Хищничество. Это одна из самых распространенных форм, имеющих большое значение в саморегуляции биоценозов. Хищниками называют животных (а также некоторые растения), питающихся другими животными, которых они ловят и умерщвляют. Естественный отбор, действующий в популяции хищников, увеличивает эффективность средств поиска и ловли добычи. Вырабатывается сложное поведение, например согласованные действия стаи волков при охоте на оленей. Жертвы в процессе отбора также совершенствуют средства защиты и избегания хищников. Сюда относится покровительственная окраска, различные шипы и панцирь, приспособительное поведение.

Паразитизм. Организмы могут использовать другие виды не только как место обитания, но и как постоянный источник питания. Такая форма сожительства получила название паразитизма Известно несколько десятков тысяч видов паразитических форм, из них около 500 - паразиты человека. Переход к паразитизму резко увеличивает возможность вида выжить в борьбе за существование. Организм-хозяин служит для паразита источником питания, очень часто - местом обитания, защитой от врагов. Тело хозяина создает для живущих в нем организмов благоприятный и относительно ровный микроклимат, не подверженный тем значительным колебаниям, которые всегда имеют место в природе. Различают несколько форм паразитизма. Паразиты могут быть временными, когда организм-хозяин подвергается нападению на короткий срок, лишь на время питания и постоянными.

Конкуренция. Одна из форм отрицательных взаимоотношений между видами - конкуренция. Этот тип взаимоотношений возникает, если у двух близких видов наблюдаются сходные потребности. Если такие виды обитают на одной территории, то каждый из них находится в невыгодном положении: уменьшаются возможности овладения пищевыми ресурсами, местами для размножения и т.д. Формы конкурентного взаимодействия могут быть самыми разными - от прямой физической борьбы до мирного совместного существования. Тем не менее, если два вида с одинаковыми потребностями оказываются в одном сообществе, рано или поздно один конкурент вытеснит другого. Ч.Дарвин считал конкуренцию одной из важнейших составных частей борьбы за существование, играющей большую роль в эволюции видов.

Нейтрализм

Нейтрализм - форма взаимоотношений, при которой совместно обитающие на одной территории организмы не влияют друг на друга. При нейтрализме особи разных видов не связаны друг с другом непосредственно, но, формируя биоценоз, зависят от состояния сообщества в целом. Например, белки и лоси в одном лесу не контактируют друг с другом, однако угнетение леса засухой сказывается на каждом из них, хотя и в разной степени.

13. Антропогенное воздействие на биосферу

Все виды угнетающих природу воздействий, создаваемых техникой и непосредственно человеком относят к антропогенным воздействиям. Главнейшим и наиболее распространенным видом негативного антропогенного воздействия на экосистемы является загрязнение.

Загрязнения подразделяют в зависимости от типа, источника, последствий и мер контроля на 4 основные группы:

Физические загрязнения связаны с изменением физических, температурных, энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды. Источниками теплового загрязнения в городе служат в городах: подземные газопроводы промышленных предприятий 140-160⁰С, теплотрассы 50-150⁰С и т. д. При длительном воздействии электромагнитных полей даже у здоровых людей отмечается повышенная утомляемость, головные боли, чувство апатии.

Химические загрязнения это увеличение количества химических компонентов в определенной среде. Именно этот вид загрязнений является наиболее опасным для природных экосистем и качества жизни человека. Список ЮНЕСКО включает в себя почти 200 наименований химических веществ, обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами.

Биологические загрязнения это случайное или связанное с деятельностью человека, проникновение в природные экосистемы чуждых им растений, животных и микроорганизмов, и подразделяется на 3 типа загрязнения: биотическое, микробиологическое, загрязнение ГМ продукцией.

Биотическое загрязнение - это случайное или связанное с деятельностью человека, проникновение в природные экосистемы чуждых им растений, животных, сюда относят и чрезмерную экспансию животных организмов.

Микробиологическое загрязнения это случайное или связанное с деятельностью человека, проникновение в природные экосистемы чуждых им микроорганизмов, чаще всего со сточными водами промышленных производств, изготавливающие антибиотики, ферменты, вакцины, предприятия микробиологической промышленности.

Загрязнение ГМ продукцией пыльца с ГМ растений переносится ветром на другие культурные или дикорастущие растения опыляя их, поэтому говорят о загрязнении

Эстетическое нарушение (изменение природных форм). Оно связано с деятельностью человека, чаще всего со строительной деятельностью, горнодобывающей промышленностью, с/х и т.д., которые создают сооружения или изменяют природные ландшафты в значительных масштабах. Изменения визуальных доминантов негативно влияют на параметры, определяющие качество жизни человека, вызывая иногда даже психофизические расстройства.

14. Экологическое нормирование качества окружающей среды

В основу всех мероприятий по экологической защите положен принцип нормирования качества окружающей природной среды. Этот термин означает установление нормативов (показателей) допустимых воздействий человека на природную среду. Под качеством окружающей среды понимают степень соответствия ее характеристик потребностям людей и технологическим требованиям.

Основные экологические нормативы качества и воздействия на окружающую среду подразделяются на:

Санитарно-гигиенические устанавливаются с учетом воздействия загрязняющих веществ на человека, это: предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК); допустимый уровень физических воздействий (шума, вибрации, ионизирующих излучений…).

ПДК - это количество загрязнителя в почве, воздушной среде или водной среде, которое при постоянном или временном воздействии на человека не влияет не его здоровье и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.

Максимально-разовая ПДК не должна вызывать при вдыхании воздуха в течение 30 минут рефлекторных реакций в организме человека.

Среднесуточная ПДК не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного влияния при неопределенно долгом воздействии.

Нормативы ПДК для вредных веществ едины и обязательны для всех предприятий независимо от форм собственности и подчиненности на территории России.

Допустимый уровень радиационного и иного физического воздействия на окружающую среду - это уровень, который не представляет опасности для здоровья человека, других живых организмов.

Производственно-хозяйственные устанавливаются для производства это: допустимый выброс вредных веществ; допустимый сброс вредных веществ; допустимое изъятие компонентов природной среды; норматив образования отходов производства и потребления.

Допустимый выброс или сброс - это максимальное количество загрязняющих веществ, которое в единицу времени разрешается выбрасывать предприятию, не вызывая при этом превышения ПДК загрязняющих веществ и других неблагоприятных последствий.

Комплексные показатели: допустимая антропогенная нагрузка на окружающую среду; нормативы санитарно-защитных зон; строительные и градостроительные правила…

Допустимые нормы антропогенной нагрузки на окружающую среду - это максимально возможные антропогенные воздействия на природные ресурсы или комплексы, не приводящие к нарушению устойчивости экологических систем.

Согласно Положению о порядке действия на территории РФ санитарных правил, утвержденных постановлением Совета Министров РСФСР от 1 июня 1991 г. № 375, санитарно-гигиеническое нормирование является составной частью основ обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения.

Предельно допустимые нормы - это своего рода вынужденный компромисс, который позволяет, и развивать хозяйство, и охранять жизнь и благополучие человека. Нормативы качества не относятся к числу правовых норм. Это нормы технического или технико-экономического характера и сами по себе они не обладают юридической силой. Норматив становится обязательным и имеет юридическую силу с момента утверждения его компетентным органом. Такими органами являются Гос комитет сан-эпидемиологического надзора при Правительстве РФ, Мин Природы РФ.

15. Защита атмосферы

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.

Загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком количестве, которое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред людям, живой и неживой природе, экосистемам, строительным материалам, природным ресурсам - всей окружающей среде.

Мероприятия по защите атмосферы

Для защиты атмосферы от негативного антропогенного воздействия используют следующие меры:

- экологизация технологических процессов;

- очистку газовых выбросов от вредных примесей;

- рассеивание газовых выбросов в атмосфере;

- устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения.

Экологизация технологических процессов

Экологизация тех процессов - это создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ.

Наиболее надежным и самым экономичным способом охраны биосферы от вредных газовых выбросов является переход к безотходному производству, или к безотходным технологиям. Термин «безотходная технология» впервые предложен академиком Н.Н. Семеновым. Под ним подразумевается создание оптимальных технологических систем с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Такое производство не должно иметь сточных вод, вредных выбросов в атмосферу и твердых отходов и не должно потреблять воду из природных водоемов. То есть понимают принцип организации и функционирования производств, при рациональном использовании всех компонентов сырья и энергии в замкнутом цикле: (первичные сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные сырьевые ресурсы).

Конечно же, понятие «безотходное производство» имеет несколько условный характер; это идеальная модель производства, так как в реальных условиях нельзя полностью ликвидировать отходы и избавиться от влияния производства на окружающую среду. Точнее следует называть такие системы малоотходными, дающими минимальные выбросы, при которых ущерб природным экосистемам будет минимален. Малоотходная технология является промежуточной ступенью при создании безотходного производства.

В настоящее время определилось несколько основных направлений охраны биосферы, которые в конечном счете ведут к созданию безотходных технологий:

1) разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов;

2) переработка отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья;

3) создание территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса.

16. Очистка газовых выбросов от вредных примесей

Газовые выбросы классифицируются по организации отвода и контроля - на организованные и неорганизованные, по температуре на нагретые и холодные.

Организованный промышленный выброс - это выброс, поступающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы.

Неорганизованные называют промышленные выбросы, поступающие в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности оборудования. Отсутствие или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки и хранения продукта.

Для снижения загрязнения атмосферы от промышленных выбросов используют системы очистки газов. Под очисткой газов понимают отделение от газа или превращение в безвредное состояние загрязняющего вещества, поступающего от промышленного источника.

Механическая очистка газов

К сухим механическим пылеуловителям относятся аппараты, в которых использованы различные механизмы осаждения: гравитационный (пылеосадительная камера), инерционный (камеры, осаждение пыли в которых происходит в результате изменения направления движения газового потока или установки на его пути препятствия) и центробежный.

Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40-100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Производительность осадительных камер П = sw₀, где S -- площадь горизонтального сечения камеры, или общая площадь полок, м²; w₀ -- скорость осаждения частиц, м/с. Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц диаметром более 50-100 мкм, причем степень очистки составляет не .выше 40-50%. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки газов.

Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на входе в аппарат составляет 10-15 м/с. Гидравлическое сопротивление аппарата 100 - 400 Па (10 - 40 мм вод. ст.). Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70%. Инерционный метод можно применять лишь для грубой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода - быстрое истирание или забивание щелей.

Данные аппараты отличаются простотой изготовления и эксплуатации, их достаточно широко используют в промышленности. Но эффективность улавливания не всегда достаточна.

Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители (ротоклоны) и др. Циклоны наиболее часто применяют в промышленности для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подается в цилиндрическую часть циклона тангенциально, описывает спираль по направлению к дну конической части и затем устремляется вверх через турбулизованное ядро потока у оси циклона на выход. Циклоны характеризуются высокой производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов (производительностью более 20000 м³/ч), степень очистки составляет около 90% при диаметре частиц d > 30 мкм. Для частиц с d = 5-30 мкм степень очистки снижается до 80%, а при d == 2-5 мкм она составляет менее 40%. Диаметр частиц, улавливаемых циклоном на 50%, можно определить по эмпирической формуле

Гидравлическое сопротивление высокопроизводительных циклонов составляет около 1080 Па. Циклоны широко применяют при грубой и средней очистке газа от аэрозолей.

Другим типом центробежного пылеуловителя служит ротоклон, состоящий из ротора и вентилятора, помещенного в осадительный кожух. Лопасти вентилятора, вращаясь, направляют пыль в канал, который ведет в приемник пыли.

Циклонные аппараты наиболее распространены в промышленности, так как у них отсутствуют движущиеся части в аппарате и высокая надежность работы при температуре газов до 500⁰С, улавливание пыли в сухом виде, почти постоянное гидравлическое сопротивление аппарата, простота изготовления, высокая степень очистки.

Недостатки: высокое гидравлическое сопротивление 1250-1500 Па, плохое улавливание частиц размером меньше 5мкм.

Для очистки газов используют также фильтры. Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие материалы. Фильтрующие перегородки состоят из волокнистых или зернистых элементов и условно подразделяются на следующие типы.

Гибкие пористые перегородки - тканевые материалы из природных, синтетических или минеральных волокон, нетканные волокнистые материалы (войлоки, бумаги, картон) ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры).

Фильтрация - весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества - сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки фильтрации высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью.

17. Физико-химические методы очистки выбросов газообразных веществ

Метод абсорбции - заключается в поглощении отдельных компонентов газообразной смеси абсорбентом (поглотителем) в качестве которого выступает жидкость. антропогенный экологический радиоактивный

В качестве абсорбентов применяют воду, растворы аммиака, едких и карбонатных щелочей, солей марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, сульфат магния и др. Например, для очистки газов от аммиака, хлористого и фтористого водорода в качестве абсорбента используют воду, для улавливания водяных паров - серную кислоту, для улавливания ароматических углеводородов - масла.

Абсорбционная очистка - непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки.

Для реализации процесса очистки применяют абсорберы различных конструкций (пленочные, насадочные, трубчатые и др.). Наиболее распространен насадочный скруббер, применяемый для очистки газов от диоксида серы, сероводорода, хлороводорода, хлора, оксида и диоксида углерода, фенолов и т. д.

Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недостаток этого метода в том, что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно скрубберы) имеют большие объемы.

Метод хемосорбции - основан на поглощении газов и паров твердыми и жидкими поглотителями, в результате чего образуются мало летучие и малорастворимые соединения. Большинство хемосорбционных процессов газоочистки обратимы, т. е. при повышении температуры поглотительного раствора химические соединения, образовавшиеся при хемосорбции, разлагаются с регенерацией активных компонентов поглотительного раствора и с десорбцией поглощенной из газа примеси. Хемосорбция в особенности применима для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой начальной концентрации примесей.

Метод адсорбции - основан на улавливании вредных газовых примесей поверхностью твердых тел, высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью.

Адсорбционные методы применяют для различных технологических целей -- разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов и для санитарной очистки газовых выхлопов. В последнее время адсорбционные методы выходят на первый план как надежное средство защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ, обеспечивающее возможность концентрирования и утилизации этих веществ.

Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, -- это активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Основные требования к промышленным сорбентам -- высокая поглотительная способность, избирательность действия (селективность), термическая устойчивость, длительная служба без изменения структуры и свойств поверхности, возможность легкой регенерации. Известны различные конструкции адсорбентов (вертикальные, используемые при малых расходах, горизонтальные, при больших расходах, кольцевые). Очистку газа осуществляют через неподвижные слои адсорбента и движущиеся слои. После очистки адсорбер переключается на регенерацию. Адсорбционная установка, состоящая из нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как одновременно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие -- на стадиях регенерации, охлаждения и др.

Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:

1) глубокая очистка газов от токсичных примесей;

2) сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безотходной технологии. Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов.

Недостатки большинства адсорбционных установок -- периодичность

Метод каталитического окисления

Действие катализаторов проявляется в промежуточном химическом взаимодействии катализатора с реагирующими веществами, в результате чего образуется промежуточные соединения. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока.

В качестве катализаторов применяют металлы и их соединения (оксиды меди, марганца и др.) Катализаторы имеют вид шаров, колец или другую форму Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами).

Каталитические методы получают все большее распространение благодаря глубокой очистке газов от токсичных примесей (до 99,9%) при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых начальных концентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать реакционную теплоту, т.е. создавать энерготехнологические системы. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны.

Недостаток многих процессов каталитической очистки -- образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (абсорбция, адсорбция), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.

Термический метод заключается в очистке газов перед выбросом в атмосферу путем высокотемпературного дожигания.

Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических загрязнителей или оксида углерода. Простейший метод -- факельное сжигание -- возможен, когда концентрация горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса 750--900 °С и теплоту горения примесей можно утилизировать.

Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего предела воспламенения, то необходимо подводить некоторое количество теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и выбрасываются в атмосферу. Такие энерготехнологические схемы применяют при достаточно высоком содержании горючих примесей, иначе возрастает расход добавляемого горючего газа.

18. Рассеивание пылегазовых выбросов в атмосферу

При любом способе очистке, часть пыли и газов остается в воздухе, выбрасываемом в атмосферу. Рассеивание газовых выбросов используют для снижения опасных концентраций примесей до уровня соответствующего ПДК. Используют различные технологические средства для осуществления процесса рассеивания: трубы, вентиляционные устройства.

На процессы рассеивания выбросов существенное влияние оказывает состояние атмосферы, расположение предприятий и источников выбросов, характер местности и т. д. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении.

При распределении концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса выделяют 3 зоны загрязнения атмосферы:

1. Переброс факела выбросов, характеризующийся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы.

2. Зона задымления с максимальным содержанием вредных веществ и постепенное снижение уровня загрязнения. Эта зона является наиболее опасной для населения. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических условий находятся в пределах 10-49 высоты трубы.

3. Зона постепенного снижения уровня загрязнения.

При невозможности достигнуть ПДК очисткой иногда применяют многократное разбавление токсичных веществ или выброс газов через высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях атмосферы.

Метод достижения ПДК с помощью «высоких труб» служит лишь паллиативом, так как не предохраняет атмосферу, а лишь переносит загрязнения из одного района в другие.

19. Устройство санитарно-защитных зон

Санитарно-защитная зона - это полоса, отделяющая источники промышленного загрязнения от жилых или общественных зданий для защиты населения от влияния вредных факторов производства.

Ширину санитарно-защитных зон устанавливают в зависимости от класса производства, степени вредности и количества, выделенных в атмосферу веществ, и принимают равной от 50 до 1000 м.

Санитарно-защитная зона должна быть благоустроена и озеленена.

Различают 3 типа зон:

Круговые, при полном окружении предприятия жилой застройкой;

Секторные, при частичном окружении предприятия жилой застройкой и примыкания завода к естественной природной преграде.

Трапециидальные, при отрыве предприятия от селитебной зоны.

Устройство сан-защитных зон - вспомогательное средство защиты, так как очень дорогостоящее мероприятие, это увеличение протяженности дорог, коммуникаций и т.д.

Архитектурно-планировочные мероприятия включают правильное взаимное размещение источников выброса в населенных пунктах с учетом направления ветра, выбор под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места, хорошо продуваемого ветрами, сооружение автомобильных дорог в обход населенных пунктов и др.

20. Охрана гидросферы

В зависимости от происхождения, состава и качественных характеристик загрязнений (примесей) сточные воды подразделяются на 3 основных категории:

Производственные -- использованные в технологическом процессе производства (для промывки сырья и готовой продукции, охлаждения тепловых агрегатов и т.п.). Производственные сточные воды ряда отраслей промышленности загрязнены главным образом отходами производства, в которых могут находиться ядовитые вещества (напр., синильная кислота, фенол, содержание мышьяка, анилин, соли меди, свинца, ртути и др.), а также вещества, содержащие радиоактивные элементы; некоторые отходы представляют определенную ценность (как вторичное сырье). Воду, используемую в промышленности подразделяют на: охлаждающую, технологическую и энергетическую.

...