Экология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Кубанский государственный технологический университет

Институт нефти, газа, энергетики и безопасности

Кафедра неорганической химии

Методические указания, контрольные вопросы, задачи по курсу «Экология» для студентов дневной и заочной форм обучения технологических и инженерных специальностей КубГТУ

Краснодар

2010

Введение

Дисциплина «Экология» преподается в ВУЗе на фундаментальном уровне. В целом эта дисциплина носит естественно - научный и мировоззренческий характер.

Целью курса «Экология» является формирование у студентов способности оценки своей будущей профессиональной деятельности с точки зрения охраны биосферы. Он призван формировать у студентов представления о человеке как о части природы, о единстве окружающего мира и невозможности выживания человечества без сохранения биосферы, а также привить экологическую культуру труда, быта и отдыха.

Дисциплина «Экология» преподается в соответствии с Государственным стандартом ЕН 06:

Биосфера и человек: структура биосферы, экосистемы, взаимоотношения организма и среды, экология и здоровье человека; глобальные проблемы ОПС. Экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы. Основы экономики природопользования; экозащитная техника и технология; основы экологического права, профессиональная ответственность; международное сотрудничество в области охраны окружающей среды.

Экология как наука сформировалась в XIX веке, ее предметом было изучение взаимоотношения живых организмов с окружающей природной средой. В ХХ веке в экологию введены понятия «экосистема» и «биогеоценоз» как структурных единиц биосферы. Экология стала системной наукой. Поэтому ее определение претерпело изменение: «Экология - это наука о закономерностях формирования, функционирования, развития, устойчивости и деградации экологических систем различного порядка».

Задачи экологии как науки:

*исследование закономерностей организации жизни, в т.ч. и в связи с антропогенным воздействием на отдельные экосистемы и на всю биосферу в целом;

*создание научной основы рационального использования природных ресурсов;

*восстановление нарушенных природных систем;

*регулирование численности популяции живых организмов;

*сохранение эталонных участков биосферы.

Объектами экологических исследований являются: экологические системы, биоценозы (сообщества), популяции и виды.

Методы: экологических исследований: наблюдения, экологический эксперимент, (натурное, математическое и компьютерное).

1. Глобальные проблемы экологии

экология природный ресурс

На конфереции ООН по окружающей среде и развитию, состоявшейся в 1992 г. был сделан вывод о том, что если характер развития нашей цивилизации не будет изменен, ее ожидает гибель. Чем же обусловлено столь неутешительное и категорическое заявление?

Первым фактором, вызывающим серьезную обеспокоенность в глобальном плане, является быстрый рост населения планета. Численность населения Земли составляет сегодня 6,5 млрд человек, причем за последние 20 лет прирост составил 1,7 млрд человек (из них 1,5 млрд в развивающихся странах). Ежемесячный прирост населения планеты составляет в наши дни величину, равную численности населения Нью-Йорка, годовой - населения Мексики, а десятилетний - населения Китая.

Быстрый рост народонаселения, естественно, увеличит нагрузку на окружающую среду, которая и так находится в критическом состоянии. Важно при этом подчеркнуть следующее: каждый человек в развитых странах потребляет за свою жизнь в 20-30 раз больше ресурсов планеты, чем гражданин развивающейся страны, а доля населения развивающихся стран сегодня в три-четыре раза выше, чем развитых.

Второй фактор - это процесс деградации окружающей среды в результате хозяйственной деятельности, который вышел за пределы отдельных территорий и стал приобретать такие масштабы, что в природе стали проявляться глобальные изменения. К ним обычно относят трансграничный перенос химических загрязнений атмосферы и выпадение кислотных дождей, оказывающих губительное влияние на природу; истощение озонового слоя под влиянием хлорфторуглеродов и связанное с этим нарастающее действие на все живое жесткого ультрафиолетового излучения; накопление в атмосфере углекислого газа и ряда других веществ, ведущее к усилению парникового эффекта и далее к глобальному потеплению климата, что также чревато для человечества весьма тяжелыми последствиями, которые проявятся, в частности, в ухудшении условий ведения и продуктивности сельского хозяйства и подъеме уровня мирового океана.

Не менее опасны локальные и региональные загрязнения атмосферы, воды и почвы вредными веществами. В результате интенсивного и слабо контролируемого в экологическом плане развития промышленности ряд регионов России отнесен к зонам с очень острой экологической ситуацией. Это Кольский полуостров, Северный Прикаспий, среднее Поволжье, промышленная зона Урала и др.

Деградация природы идет не только под влиянием попадающих в окружающую среду вредных химических веществ, но и в результате ее хищнической эксплуатации - вырубки обширных лесных массивов, истощения и эрозии почв, плохо контролируемого рыболовства и т.д. В итоге в биосфере в целом сформировались отрицательные тенденции (например, резкое сокращение видового разнообразия и, следовательно, генетических ресурсов), которые будут быстро развиваться по мере нарастания упомянутых выше глобальных изменений.

Как выжить в этих условиях, какие пути развития выбрать человечеству, чтобы обеспечить устойчивое развитие нашей цивилизации - ответы на эти вопросы дает наука экология, которая изучает взаимодействие живых организмов в их собственном "жилище", или окружающей среде, включающей в себя все действующие на организм внешние условия и факторы, как живые, так и неживые.

1.1 Рост численности населения

Если нанести на график численность населения, оцененную в определенные промежутки времени, мы получим экспоненциальную кривую роста численности населения в виде латинской буквы Ј. Такой рост наблюдается при условии, когда какой-либо фактор, например численность населения, имеет постоянный процентный рост за каждый промежуток времени.

В течение нескольких миллионов лет этот рост составлял 0,002% в год, затем он ускорился и повысился до самой высокой величины, равной 2,06% в 1970 г., в период между 1980 и 1988 гг. снизился до 1,75% , а в 1989 г. вновь повысился до 1,8%.При таких темпах экспоненциального роста все меньше времени требуется для добавления каждого нового миллиарда людей. В течение двух миллионов лет численность населения возросла до одного миллиарда человек, в течение 130 лет добавился второй миллиард, 30 лет - еще один, третий миллиард, 15 лет - четвертый и только в течение 12 лет - пятый. При современных темпах роста численность населения достигла 6 миллиардов к 2000 г. и 7 млрд. к 2008 г. Такой быстрый рост численности населения оказал сильнейшее воздействие на всю живую природу, на состояние воздуха, вод и почв, от которых зависит существование человека и других жизненных форм.Время, за которое происходит удвоение численности населения при постоянном ежегодном проценте роста (Т), может быть рассчитано по эмпирическому уравнению, описывающему экспоненциальную зависимость:

70 : процентный годовой рост = время удвоения в годах

Если темпы прироста сохранятся, население Земли удвоится за 39 лет ( 70 ; 1,8 = 39 лет ). Зная статистические данные прироста населения любой страны, можно рассчитать его процентный годовой прирост и время, необходимое для удвоения численности его населения. Например, самая большая по численности населения страна - Китай (1,5 млрд. чел.), значительно снизила процентный годовой прирост, ограничив рождаемость. Время удвоения его составило уже 49 лет, что на 10 лет больше, чем в среднем на планете, в то же время такая страна, как Индия, занимая второе место в мире по численности населения - 1,2 млрд. человек, имеет время удвоения населения, равное 32 годам, что указывает на очень высокий процентный рост населения.



Время, за которое происходит удвоение численности населения при постоянном ежегодном проценте роста (Т), может быть рассчитано по эмпирическому уравнению, описывающему экспоненциальную зависимость:

70 : процентный годовой рост = время удвоения в годах

Если темпы прироста сохранятся, население Земли удвоится за 39 лет ( 70 ; 1,8 = 39 лет ). Зная статистические данные прироста населения любой страны, можно рассчитать его процентный годовой прирост и время, необходимое для удвоения численности его населения. Например, самая большая по численности населения страна - Китай (1,5 млрд. чел.), значительно снизила процентный годовой прирост, ограничив рождаемость. Время удвоения его составило уже 49 лет, что на 10 лет больше, чем в среднем на планете, в то же время такая страна, как Индия, занимая второе место в мире по численности населения - 1,2 млрд. человек, имеет время удвоения населения, равное 32 годам, что указывает на очень высокий процентный рост населения.

1.2 Природные ресурсы, загрязнение и деградация окружающей среды

Природные ресурсы - это объекты и явления окружающей природной среды, которые используются или будут использованы человеком для удовлетворения своих физиологических, хозяйственно-производственных, научных потребностей, для морально-эстетического удовлетворения, а также для поддержания и восстановления здоровья. Ресурсы могут быть классифицированы как вечные (фактически неисчерпаемые, такие, как энергия ветра и Солнца), невозобновимые (исчерпаемые ресурсы, такие, как ископаемое топливо, (которое не может быть использовано повторно) и потенциально - возобновимые (леса, луга, животные, вода, воздух и плодородные почвы), которые регенерируются природными процессами.

Невозобновимые ресурсы существуют в ограниченных количествах и могут быть быстро истощены (например, доступные ресурсы нефти уже к 2059 г.). Наиболее высокая скорость использования потенциально возобновимых ресурсов как в мировом масштабе, так и на конкретной территории ограничивается скоростью их естественного возобновления, или уровнем устойчивого потребления. В случае превышения этого уровня сокращается базовый уровень поступления этих ресурсов, т.е. возникает процесс, известный как деградация окружающей среды. Использование неисчерпаемых ресурсов в нашей стране пока не получило широкого развития.

В качестве побочных продуктов или отходов при добыче, переработке и использовании ресурсов образуются загрязнители.

Загрязнителями называют любые изменения воздуха, вод, почв или пищевых продуктов, оказывающие нежелательное воздействие на здоровье, выживаемость или деятельность человека. Загрязнение может принимать также форму нежелательных выбросов энергии, например избыточного тепла, шума или радиации.

Количественную оценку общих мировых масштабов потребления ресурсов и "производства" отходов за год в 1960-е гг. дал Эренсверд. Исходя из того, что масса веществ, извлекаемых из природных ресурсов, составляет около 9 млрд. т, он показал, что ежегодно во всем мире появляется 8 млрд. т отходов. По данным академика В.А.Кириллина наблюдается экспоненциальный рост потребления сырья и образования загрязнения с временем удвоения около 10 лет. По уравнению, описывающему экспоненциальную зависимость, можно вычислить среднегодовой процент роста потребления ресурсов (индекс использования природных ресурсов).

70 / 10 = 7% .

Зная мировые и региональные запасы ресурсов, можно рассчитать время истощения этих ресурсов, учитывая, что они считаются экономически истощенными при выработке 80% их оцененных запасов.

1.3 Энергоэффективность и чистая полезная энергия

Энергия - это способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Все, что происходит внутри и вокруг нас основано на работе, в процессе которой, один вид энергии переходит в другой или другие виды энергии. Более 85% невозобновимых ресурсов планеты (нефть, газ, уголь и др.) используются для получения энергии. Энергия различается по качеству, или способности производить работу. Качество энергии - это мера ее эффективности.

Энергия высокого качества характеризуется большой степенью упорядоченности, или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу и обладает низкой энтропией. В качестве примеров носителей таких форм можно привести электричество, каменный уголь, бензин, концентрированную солнечную энергию, ядра урана-235, а также высокотемпературное тепло.

Энергии низкого качества свойственны неупорядоченность и малая способность производить полезную работу. Она обладает высокой энтропией. Пример носителя такой энергий - низкотемпературное тепло в воздухе или в реке, озере, океане.

Измеряя энергию, переходящую из одного вида в другой, ученые не смогли обнаружить возникновения или исчезновения энергии ни при физических процессах, ни при химических реакциях, а только ее превращение из одной формы в другую. В результате был сформулирован закон сохранения энергии, известный также как первый закон термодинамики: в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено - выход энергии всегда равен ее затратам.

В процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходит снижение качества энергии. Все, что мы наблюдаем в природе, сформулировано во втором законе термодинамики: при любом превращении энергии из одного вида в другой некоторое количество первично полученной энергии переходит в менее качественную, менее полезную энергию, которая обычно рассеивается в окружающей среде в виде низкотемпературного тепла.

Это означает, что высококачественная энергия (низкая энтропия) в отличие от вещества не может быть восстановлена или использована повторно.

Оба закона термодинамики помогают понять, как, оценивая получаемую из различных источников энергию, можно сократить потери путем повышения ее эффективности. Например, лишь 16% всей производимой энергии, которая поддерживает экономику США, используеться для выполнения полезной работы или расходуется в процессе производства продуктов нефтехимии, из которых в свою очередь получают пластмассы, лекарства и многое другое. Это означает, что в США теряется 84% производимой энергии. Около 41% этой энергии теряется необратимо при рассеянии тепла, согласно второму закону термодинамики. Но потерь 43% энергии можно было бы избежать.

Устройства и процессы, в которых происходит превращение энергии, различаются по энергетической эффректвности, то есть доле затраченной анергии, которая выполняет полезную работу.

Если мы используем более экономичные двигатели и приборы и не пользуемся высококачественной энергией там, где можно обойтись низкокачественной, мы можем сократить потери энергий. Мы можем также уменьшить неизбежные потери низкокачественного тепла в окружающую среду, если будем строить изолированные, герметичные здания, использовать тепловые отходы, образующиеся при сжигании ископаемого топлива для производства электроэнергии (принцип когенерации энергии ).

Чистая полезная энергия - это количество полезной энергии, полученной из исходных энергетических ресурсов, за вычетом затраченной на ее получение полезной энергии. Часто этот показатель выражается практическим коэффициентом полезного действия.

Таблица 1.1 Коэффициент полезного действия некоторых устройств, трансформирующих энергию

Название устройств	Коэффициент полезного действия, %
Двигатель внутреннего сгорания	10
Паровая турбина	45
Топливный элемент	60
Лампа накаливания	5
Люминесцентная лампа	22
Абсолютно герметичный дом	98
Прямое солнечное излучение	90
Высокоэффективное газовое теплоснабжение	83
Обычное газовое теплоснабжение	70
Нефтяное отопление	53
Теплоснабжение за счет электроэнергии,
вырабатываемой на:
АЭС	14
угольной электростанции	25
Обычная дровяная печь	26

При выполнении конкретных задач различные виды энергетических ресурсов характеризуются разной величиной полезного действия (коэффициентом рентабельности). Это очень важно учитывать при принятии решений о том, какие энергетические ресурсы следует использовать в каждом конкретном случае.

Таблица 1.2 Практический коэффициент полезного действия различных энергетических систем

Энергетические системы	Коэффициент рентабельности
1. Отопление помещений:
Прямая солнечная энергия	5,8
Природный газ	4,9
Нефть	4,5
Активная солнечная энергия	1,9
Газификация угля	1,5
Теплоснабжение за счет электрического сопро- тивления (угольная станция и на природном газе) Теплоснабжение за счет электрического сопро-
	0,4
тивления (АЗС)	0,3
2.Высокотемпературное промышленное тепло:
Уголь, добытый открытым способом	28,2
Уголь, добытый закрытым способом	25,8
Природный газ	4,9
Нефть	4,7
Газификация угля	1,5
Сконцентрированная солнечная энергия	0,9
3. Транспортировка:
Природный газ	4,9
Бензин	4,1
Биотопливо (этиловый спирт)	1,9
Нефтяной сланец	1,2

1.4 Чистая первичная продуктивность экосистем

Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней организации материи: живые организмы, популяции, сообщества, экосистемы и биосфера..

Живой организм - это любая форма жизнедеятельности. Каждый живой организм или популяция (группа организмов одного вида) имеет свое местообитание: местность или тип местности, где они проживают. Когда несколько популяций различных видов живых организмов живут в одном месте и взаимодействуют друг с другом, они создают так называемое биологическое сообщество (биоценоз).Примерами являются все растения, животные и деструкторы, произрастающие и проживающие в лесу, пруду, пустыне или в аквариуме.

Экосистема - это совокупность закономерно-связанных неживых (косных) и живых компонентов природы посредством обмена энергией. Веществом и информацией

. Это вечно меняющаяся (динамичная) сеть биологических, химических и физических взаимодействий, которые поддерживают жизнеспособность сообществ и помогают им приспосабливаться к изменениям условий окружающей среды..

Выделяют экосистемы различного ранга: от микроэкосистем (труп животного, разлагающийся пень, лужица, аквариум); мезоэкосистемы (лес, пруд, река и т.п.); макроэкосистемы или биомы (океан, континент, природные зоны) и глобальная экосистема - биосфера в целом. Таким образом, биосфера является системой систем более низкого ранга.

Биогеоценоз -(термин введен в науку В.Н.Сукачевым, 1942 г.) это устойчивая система живых (однотипное растительное сообщество, животные и микроорганизмы) и косных компонентов природы, взаимодействующих в пределах однородного участка земной поверхности с особым микроклиматом, геологическим строением, почвой и водным режимом. В состав любого биогеоценоза и экосистемы входят два блока - биоценоз и экотоп. Биоценоз - это совокупность взаимосвязанных организмов разного вида, которые входят популяциями. Экотоп - это совокупность неживых (косных) компонентов природы ( воздуха, воды, почвы и климатических факторов), т.е. среда обитания биоценоза Границами между отдельными биогеоценозами являются либо горная гряда, либо водный раздел. Совокупность биогеоценоза и хозяйственной деятельности человека называют нообиоценозом.

Основные типы организмов, которые, формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы, принято подразделять на продуцентов, консументов и редуцентов. Это разделение базируется на преобладающем способе питания организмов.

Продуценты - это организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ. Большинство продуцентов - зеленые растения, которые создают необходимые органические питательные вещества в процессе фотосинтеза. Растения используют солнечную энергию для получения углеводородов (например, глюкозы), крахмала и целлюлозы из углекислого газа и воды. При этом выделяется кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза. Фотосинтез может быть представлен следующим образом:

6СО2 + 6Н2О + hн = С6Н12О6 + 6О2

Только продуценты способны сами производить для себя пищу, более того, они непосредственно или косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов. Большинство животных (в том числе и люди) получают питательные вещества, потребляют в пищу растения иди растительноядных животных; образно говоря, любое мясо - это трава.

Скорость, с которой растения экосистемы производят полезную химическую энергию или биомассу, называется чистой первичной продуктивностью растений. Она равняется скорости накопления химической энергии в биомассе в процессе фотосинтеза, за вычетом скорости, с которой растения используют некоторую часть этой энергии для аэробного клеточного дыхания, необходимого для их жизнедеятельности, роста и размножения.

Чистая первичная продуктивность обычно рассчитывается как количество энергии, созданной растениями на единице площади за единицу времени. Мы можем использовать эту величину для оценки потенциала создания растительного материала, необходимого в качестве пищи для животных и человека. Экологами было подсчитано значение среднегодовой чистой первичной продуктивности для основных наземных и водных экосистем.

Таблица 1.3 Оценка среднегодовой чистой продуктивности растений

Название экосистемы	Среднегодовая чистая первичная продуктивность, (Дж/м2/год)•10-6
Эстуарии, болота, тропический лес	37,2
Лес умеренного климата	24,2
Тайга	14,2
Саванна	12,5
Сельскохозяйственные угодья	11,3
Леса и кустарники	10,9
Травы, озера и реки	8,80
Континентальный шельф	6,27
Тундра	2,30
Открытый океан	1,88
Кустарниковая пустыня	0,25
Пустыни	0,10

Вывод о том, что нужно вырубить тропические леса и выращивать на их месте урожаи, а также использовать под сельскохозяйственные культуры эстуарии и болота, чтобы прокормить растущее население, ошибочный. Растения (в основном травы), произрастающие в эстуариях и на болотах, хотя и не пригодны в качестве пищи для человека, однако крайне важны как источники корма и места размножения для рыб, креветок и других водных животных, снабжающих нас белком. Поэтому мы должны не уничтожать, а охранять такие растения.

Факторы, определяющие устойчивость экосистем и биосферы: ассиметричность их строения; видовое многообразие; разнообразие экологических факторов; множество связей между экосистемами более низкого ранга; гомеостаз; согласованность скоростей круговоротов различных химических элементов.

Факторы, определяющие динамику и развитие экосистем и биосферы: цикличность процессов, протекающих в экосистемах; эволюция; сукцессия; круговорот веществ в природе.

2. Круговороты веществ в природе

Круговорот веществ в природе - это повторяющиеся процессы перемещения и превращения веществ в природе, имеющие выраженный циклический характер. Существует три вида круговоротов веществ: большой (геологический), малый (биогеохимический) и техногенный (антропогенный или социальный).

Большой (геологический) круговорот происходит под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия радиоактивного распада изотопов химических элементов, образование минералов и горных пород, тектоническое движение земных плат, землетрясения, извержение вулканов, метаморфизм.

Малый биогеохимический круговорот осуществляется с участием живых организмов (растений, животных и микроорганизмов). Он осуществляется в пределах биосферы. Движущей силой этого вида круговорота - солнечная энергия, которая порождает фотосинтез. В его основе лежат также процессы дыхания, питания, метаболизма, размножения, смерти и разложения мертвой (дентритной) биомассы.

Любые элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения, называются питательными веществами. Они включают как органические вещества,(жиры белки, углеводы) , так и неорганические (углекислый газ, кислород, ионы нитратов, фосфатов, железа, меди и других микроэлементов). Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Эти элементы, необходимые в больших количествах, называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий. Они составляют 97% массы человеческого тела и более 95% массы всех живых организмов. Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или незначительных количествах, называют микроэлементами. Это железо, медь, цинк, йод и прочие

Большинство элементов на Земле находится в состоянии, не пригодном для прямого использования живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения. Большинство элементов на Земле находится в состоянии, не пригодном для прямого использования живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения, необходимые в качестве питательных веществ для поддержания жизни, пребывают в постоянном круговороте в биосфере и способны преобразовываться в необходимые для поглощения формы в результате целого комплекса биологических, геологических и химических процессов. Такой переход питательных элементов от неживой природы (из запасов атмосферы, гидросферы и земной коры) к живым организмам и обратно в неживую среду происходит в биогеохимических круговоротах (био означает "жизнь", гео - "земля", а слово химический подразумевает переход материи из одной формы в другую).

Три активных блока составляют обменный фонд элементов. Два добавочных блока составляют резервный фонд элементов. Между активными блоками обмен происходит с высокой скоростью. Обмен между добавочными блоками и остальной частью биосферы замедлен. По В.И.Вернадскому биогенные элементы в биосфере совершают биогеохимические циклы, взаимосвязанные между собой и формирующие в совокупности устойчивую структуру биосферы.

Существуют два основных типа биогеохимических круговоротов: круговороты газообразных веществ и осадочные циклы. Круговороты газообразных веществ - это перемещение питательных элементов от атмосферы и гидросферы к живым организмам и обратно. Как правило, циклы этих круговоротов быстротечны и длятся всего несколько дней. Основными газообразными циклами являются круговороты углерода, кислорода, водорода и азота.

Осадочные циклы включают движение питательных элементов между земной корой (почвами и горными породами), гидросферой и живыми организмами. Скорость перемещения элементов в этих циклах намного медленнее, чем в газообразных круговоротах, составляющие элементы горных пород могут находиться в них в течение тысяч и миллионов лет. Существует более 36 питательных элементов, участвующих в осадочных циклах. Главными их них являются круговороты фосфора и серы.

Вмешательство человека в эти круговороты непрерывно возрастает в результате промышленной деятельности - наиболее важного элемента экономического развития. Систематизирующим стержнем всей промышленности является химическая и сопряженные с ней отрасли (черная и цветная металлургия, алюминиевая, нефтехимическая промышленность и т.д.), связанные с использованием химических процессов. К сожалению, промышленность вносит и основной вклад в истощение природных ресурсов, загрязнение и накопление вредных отходов и т.д. Например, в химической промышленности России ежегодно образуется около 20 млн. т твердых отходов, из которых утилизируется менее одной трети. Особо опасные хлорорганические отходы составляют более 80 тыс. т в год. В 1991 г. химическими предприятиями России выброшено в атмосферу 530 тыс. т вредных веществ и сброшено в открытые водоемы 1,4 млрд. м3 загрязненных сточных вод. Это ведет к деградации окружающей среды, заключающейся в превышении способности природы к растворению и разложению загрязнений и ведет, согласно первому закону экологии к непредсказуемым последствиям. Примером могут служить наводнения в Западной Европе вследствие изменения климатических условий, появление озоновых дыр, мутантов, сокращение средней продолжительности жизни и т.д.

Человечество осознало необходимость перехода к новой модели развития - модели устойчивого развития, которая бы должным образом учитывала баланс экономических и экологических интересов и была основана, в частности, на основополагающем законе экологии: любое производимое нами вещество не должно нарушать ни один природный биогеохимический цикл.

Техногенный (антропогенный или социальный) круговорот обусловлен хозяйственной деятельностью человека. В нем можно выделить две составляющие:

- биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма;

- техногенную, связанную с хозяйственной деятельностью человека.

Антропогенный характер присущ миграционным циклам металлов.

2.1 Круговорот углерода

Углерод является основным "строительным материалом" молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых белков и других важных для жизни органических соединений. Большинство наземных растений получают необходимый им углерод, поглощая через поры в своих листьях углекислый газ из атмосферы, концентрация которого там составляет 0,04%. Фитопланктон получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде. Зеленая масса планеты за год использует для фотосинтеза 69 млрд. т углерода их углекислого газа. В океане находится в растворенном виде 24 млрд. т углерода. За 350-400 лет весь углерод атмосферы и гидросферы совершает полный оборот.

Антропогенное вмешательство значительно не повышает содержания СО2 в атмосфере из-за его высокой растворимости в водах Мирового океана и последующего образования нерастворимых карбонатов:

СО2+ Н2О = Н2СО3 и Са2+ + СОз2- = СаСОз

Особенно опасным для климата Земли является оксид углерода СО2, который выделяют природные источники (вулканы, лесные пожары и т.д.), транспортные средства, топливно-энергетический комплекс и промышленность. Из 102 млн. т СО2, ежегодно выбрасываемого в атмосферу, 62,7% составляют выхлопы автомобилей, 2,5% авиации и 11,9% - промышленности. В результате концентрация СО за последние 100 лет увеличилась в 1,2 раза, что привело к повышению средней температуры планеты за счет увеличения "парникового эффекта».

Атмосфера в течение длительного времени способна компенсировать увеличение концентрации газов, влияющих на парниковый эффект, путем внутренних взаимодействий. Однако, если эта концентрация превышает некоторое пороговое значение, то такая компенсация становится невозможной и система выходит из состояния экологического равновесия. В результате наблюдаются быстрые колебания холодных и теплых годов. По имеющимся данным, за счет парниковых газов среднегодовая температура воздуха на Земле за последнее столетие повысилась на 0,3- 0,6 0С. В настоящее время увеличение концентрации СО2 идет со скоростью примерно 0,3 - 0,5% в год. Сходными темпами увеличивается и содержание других парниковых газов ( метана - на 1%, оксидов азота на 0,2% в год). Удвоение содержания парниковых газов может произойти во второй половине ХХI столетия, это обусловит повышение среднегодовой температуры нашей планеты на 1 - 3,5 0С

В соответствии с распоряжением Правительства Росийской Федерации от 12 июня 2003 г. № 344 «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления» (с изменениями от 1 июля 2005 г.) установлены нормативы платежей за выбросы (сбросы, размещение) загрязняющих веществ, порядок их применения и установлена для всех природопользователей плата за загрязнение окружающей среды. Плата рассчитывается по установленным нормативам платежей с учетом соответствующего коэффициента экологической ситуации (или экологической значимости состояния окружающей среды)..

Таблица 2.1 Коэффициенты экологической ситуации (экологической значимости состояния окружающей среды) на территории Краснодарского края

Экономический район, бассейны морей и рек	Коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния окружающей среды
	атмосферного воздуха	почвы	водного объекта
Северо-Кавказский экономический район Бассейн р. Кубань Бассейн Черного моря Бассейн Азовского моря	1,6	1,9	2,0 1,2 2,2

Расчет ущерба, нанесенного окружающей среде от выбросов загрязняющих веществ, производится по формуле:

У = к * m * С,

где У - величина платежей за нанесенный ущерб окружающей среде, р.;

к - коэффициент, учитывающий аварийные и залповые выбросы по вине природопользователей; устанавливается десятикратный тариф к нормативным платежам за допустимые загрязнения; при использовании для обезвреживания отработавших газов двигателя передвижных источников нейтрализаторов к нормативам платежей применяется коэффициент 0,75;

m - масса сгоревшего топлива, т;

С - платежи за выброс, образующийся при сжигании 1т топлива.

Штраф предприятия равен экологическому ущербу, умноженному на коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния окружающей среды (табл. 2.1).

В связи с изменением уровня цен на природоохранное строительство и по другим направлениям природоохранной деятельности к нормативам платы за загрязнение окружающей среды применяются коэффициенты индексации платы.

К нормативам платы Федеральным законом от 23 декабря 2003 г. № 186-ФЗ установлен коэффициент индексации платы равный 1,1.

Таблица 2.2 Нормативы платежей за выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от передвижных источников

Виды топлива	Нормативы платежей за выбросы загрязняющих веществ образующихся от сжигания 1т топлива, р.
Дизельное	2,5
Бензин этилированный	2,2
Бензин неэтилированный	1,3
Керосин	2,5
Моторное топливо	1,4

2.2 Круговорот кислорода

Кислород, самый распространенный элемент, без которого невозможна жизнь на Земле. Он составляет 47,2% от массы земной коры в виде оксидов металлов и неметаллов. Его содержание в воздухе составляет 20,95% по объему или 1,2•105 т. В воде морей и океанов растворено от 2,7 до 10,9 млн. м3 кислорода.

Единственный процесс, который приводит к продуцированию кислорода - это фотосинтез его растениями-продуцентами (? 3•1011 т/год). Однако расход О2 на техногенную деятельность человека очень велик: на сжигание топлива используют до 15 млрд. т, на окисление металлов - 135 млн. т. При увеличении сжигания топлива на 5% ежегодно через 150 - 200 лет содержание свободного кислорода может снизиться до критического для живых организмов предела.

Очень важное значение для всего живого на Земле имеет озон- аллотропное видоизменение кислорода (О3). Благодаря существованию на высоте 12-14 км озонового слоя к поверхности Земли не проникают губительные для жизни организмов ультрафиолетовые лучи. Они поглощаются озоновым слоем;

При промышленных выбросах в атмосферу оксидов азота и хлорфторуглеродов, которые катализируют реакцию разрушения озона

О- + О3 = 2О2

скорость ее резко возрастает и концентрация озона уменьшается, таким образом уменьшается защитный слой озона в стратосфере.

Информацию о толщине (концентрации) этого слоя можно получить, используя спектральные методы. При этом используют зависимость интенсивности почернений линий спектра от концентрации озона, которая выражается эмпирической формулой Ломакина-Шейбе:

I = а•Св,

где а и в - коэффициенты, не зависящие от концентрации С.

Это линейная зависимость в координатах ln I = f (lnС):

ln I = lnа + в•lnС.

В простейшем случае в = 1 и тогда I = а•С.

Для этого строим калибровочную кривую, используя искусственно приготовленные пробы с различной концентрацией озона (максимальная концентрация О3 в стратосфере составляет ~ 0,5 ррm - 0,5 объема О3 на миллион). Принимая максимальную степень почернения линий характеристического спектра за 100%, строим калибровочный график по данным спектрального анализа проб.

I,% ....0 20 40 60 80 100

С,ррm... 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

Снимая спектр озона в стратосфере, можно судить о состоянии озонового слоя и о прохождении ультрафиолетовых лучей к поверхности Земли. Например: обработка фотоснимка показала, что интенсивность почернений линий спектра равна 50%. Это, согласно калибровочному графику, указывает на уменьшение концентрации озона в два раза и, соответственно, такой слой уже пропускает ультрафиолетовые лучи.

Большое значение, как лимитирующий фактор водной экосистемы, имеет концентрация растворенного в воде кислорода. При ее уменьшении останавливается развитие или прекращают свое существование популяции, живущие в этой экосистеме. Информацию о качестве воды дают такие общепринятые параметры:

БПКполн - биологическая потребность в кислороде;

ХПК - химическое потребление кислорода;

СА - суммарное содержание азота.

Это значит, что если в водную экосистему произошел сброс стоков с биологически или химически активными веществами, потребляющими кислород, то в ней уменьшится концентрация кислорода. В зависимости от состояния водной экосистемы существует допустимый сброс загрязняющих веществ, не приводящий к гибели водных популяций, на которые предприятия платят штраф на проведение мероприятий по его очистке. При превышении предельно допустимого сброса оплата (штраф) существенно увеличивается.

Например: сыроваренный завод сбрасывает сточные воды в количестве 400 м3/сутки с предельно допустимым БПКПолн = 40 мг/л. Норматив платежей за сброс 1 т загрязняющего вещества, не превышающий предельно допустимый сброс, составляет 146 р., за превышение предельно допустимого сброса - 774 р./т. Определить платежи предприятия за квартал, если в этот период из-за неработающей системы очистки БПКполн составлял 100 мг/л.

Расчет ущерба окружающей среде проводится по формуле:

У =m1•n•СПДС + m2•n•Сппс ,

где У - экологический ущерб (штраф предприятия), р.;

m1 - масса загрязняющего вещества при предельно допустимом сбросе (ПДС), т;

m2 - масса загрязняющего вещества при превышении предельно допустимого сброса (ППС), т;

n - количество дней работы завода;

Спдс - нормативные платежи за 1т загрязнений при ПДС;

Сппс - нормативные платежи за 1т загрязнений при ППС.

При попадании в водную экосистему нитратов и нитритов резко возрастает численность и рост сине-зеленых водорослей. При увеличении расхода кислорода на их аэробное дыхание уменьшается количество растворенного кислорода, необходимого для развития других популяций экосистемы. Плата за сброс таких сточных вод определяется так же, как и в предыдущем примере. Нормативы платежей представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Нормативы платежей за сброс загрязняющих веществ в водные объекты

Название загрязняющих веществ	Нормативы платежей за сброс 1т загрязняющих веществ, р.
	ПДС	ППС
Азот аммонийный Нитрит-ионы Нитрат-ионы	551 3444 6,9	2755 17220 34,5

2.3 Круговороты азота и серы

Человечество долго не осознавало ту большую опасность, которая возникла в результате индустриального бума в XX веке. Постоянная потребность в источниках энергии (электростанции, котельные, двигатели внутреннего сгорания) вошла в противоречие с экологической ситуацией - антропогенное вмешательство в природные круговороты привело к появлению такого глобального процесса, как "кислотные дожди".

Кислотные дожди в первую очередь действуют на листву, при этом важным показателем является рH дождя или тумана (например, уже при рН = 2 растения подвергаются значительным повреждениям). В случае действия кислотных дождей на почвенную систему важнее общее количество выпавших осадков, которое способствует закислению почвы, усиливает коррозию и выветривание материалов, определяет скорость ионообменных процессов. В водных экосистемах вода находится в равновесии с окружающим воздухом, насыщенным углекислым газом, что приводит к образованию угольной кислоты с рН = 5,6. Это состояние можно считать исходным для определения кислотности природной воды. При рН = 5,4 отмечается интенсивное развитие зеленых водорослей. Однако при дальнейшем закислении (рН = 5) обильно развиваются сине-зеленые водоросли, вытесняющие водоросли других типов, резко снижается популяция рыб и при рH < 5 поддержание их популяции становится практически невозможно.

2.4 Нормативные платежи за выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников

Наименование загрязняющих веществ	Нормативы платежей за выброс 1т, р.
	Предельно допустимый выброс	Превышение предельно допустимого выброса
Оксиды авота (NOх) Ангидрид серный (SO3) Ангидрид сернистый (SO2) Озон	52 21 21 68,3	260 105 105 341,5

Промышленные выбросы в атмосферу значительно превышают предельно-допустимые концентрации, особенно в больших городах, где уровни загрязнений во много раз выше. По данным ВОЗ , 80% всех болезней обусловлены экологической напряженностью. Финансовый ущерб в России от потери трудоспособности ежегодно исчисляется миллиардами рублей.

Нормативные платежи различны при норме предельно допустимого выброса и превышении этой нормы (табл. 2.4).

Таблица 2.5. Предельно-допустимые концентрации для воздушной среды населенных мест

Вещество	ПДК, мг/м3
	Максимальная разовая	Среднесуточная
Диоксид азота	0,085	0,085
Аммиак	0,20	0,20
Серная кислота	0,30	0,10
Диоксид серы	0,50	0,05
Оксид углерода	3,00	1,00
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Пыль нетоксичная	0,50	0,15

Порядок нормирования выбросов (сбросов) устанавливается в соответствии с "Инструкцией по нормированию выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в атмосферу и в водные объекты", утвержденной в 1989 году, "Рекомендациями по оформлению и содержанию проекта нормативов предельно допустимых выбросов в атмосферу (ПДВ) для предприятий" выпущенными в 1989 году и "Методикой расчета предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные объекты со сточными водами", рекомендованной в 1991 году.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) для воздушной среды населенных мест приведены в табл. 2.5.

Частично ущерб природе от кислотных дождей можно учесть в виде затрат производителя на возвращение почве плодородия. Например, если после кислотного дождя рН почвы составил 4,4, то для доведения почвы, занятой под производство сельхозпродукции, до нормальной рН требуется известкование. Оценку ущерба проводят по уравнению:

У = S• Д •С

где У - ущерб, р;

S - площадь поля, м2;

Д - количество извести (СаО), кг/м2; принимается, что доза 0,05 кг СаО изменяет рН почвы на 0,1 единицы;

С - стоимость 1 кг СаО (0,50 руб/кг в ценах 1991 г.).

Ущерб от загрязнения воздушной среде состоит из двух видов платежей: 1) за выбросы в пределах ПДК (ПДВ) и 2) за выбросы, превышающие ПДК (ППВ). Например, тепловая электростанция содержит в выхлопных газах следующие загрязняющие вещества: оксиды азота с концентрацией 0,200 мг/м3 и диоксид серы с концентрацией 0,300 мг/м3. Объем выхлопных газов составляет 500 тыс. м3/ч. Оценку экологического ущерба за расчетное время работы станции проводят по уравнению:

У = mпдв•n•Cпдв + mппв•n•Сппв

где У - ущерб, нанесенный природе от выброса каждого компонента загрязнений, р.;

mпдв - масса загрязнителя в пределах ПДВ (равная ПДК), т;

mППВ - масса загрязнителя, превышающая ПДВ (разность между реальным выбросом и mпдв), т;

п - количество дней работы станции;

Спдв - платежи за выбросы в пределах ПДК (ПДВ), р.;

Сппв - платежи за выбросы, превышающие ПДК (ППВ), р.

Расчет проводят по каждому компоненту загрязнений и после суммирования определяют плату за экологический ущерб предприятия.

2.4 Круговорот фосфора

Фосфор, главным образом в виде фосфат-ионов (РО43- и НРО4-), является важнейшим питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов животных.

В этом круговороте осадочного типа фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и затем обратно.

Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых животных и растений возвращаются в почву, в реки и на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.

Таблица 2.6. Нормативы платежей за сброс загрязняющих веществ в водные объекты и на рельеф местности

Наименование загрязняющих веществ	Нормативы платежей за сброс 1т загрязняющих веществ, р.
	Предельно допустимый сброс	Превышение предельно допустимого сброса
ОП-7 полиэтиленгликолевые эфиры моно - и диалкилфенолов	918	45490
ОП-10 смесь моно - и диалкилфеноловых эфиров полиэтиленгликоля	552	2760
Фосфаты (по фосфору)	1378	6890
Аммиак (по азоту)	5510	27550
Взвешенные вещества (к фону)	366	1830

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится, в основном, к двум вариантам:

- добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств;

- увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков. Как и в случае с нитрат-ионами и ионами аммония, избыток этих питательных веществ способствует "взрывному" росту сине-зеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах. Плата за ущерб, нанесенный водным экосистемам, проводится согласно нормативам платежей за сброс загрязняющих веществ в водные объекты и на рельеф местности.

Плата проводится раздельно за предельно допустимый сброс загрязняющих веществ (ПДС) и за его превышение (ППС) по уравнению:

У = mпдс•n•Cпдс + mппс•n•Сппс

где mпдс и mппс - соответственно масса допустимого сброса загрязнений и превышающая допустимый сброс, т;

п - количество дней работы предприятия;

У - плата за ущерб, р.

Примером может быть оценка экологического ущерба предприятия, имеющего в сточных водах моющие средства. Рассчитывается масса моющего - средства и, определив mпдс из расчета предельно допустимой концентрации С - 0,05 мг/л вычисляется mппс. Используя данные таблицы нормативных платежей и время работы предприятия, вычисляется ущерб У.

Если разрешение на сброс загрязняющих веществ от природоохранных органов не было получено и не оформлено соответствующим образом, то вся масса загрязняющих веществ рассматривается как превышающая допустимый сброс. Например: определить экологический ущерб за смыв дождями в водную экосистему 20 т фосфорных удобрений (в пересчете на Р) в результате плохого их хранения.

Расчет проводится по уравнению:

У = m•Сппс.

2.5 Миграционные циклы

Около 30 элементов, и их соединений, необходимых для жизни в небольших или незначительных количествах, называют питательными микроэлементами. Это железо, медь, цинк, хлор, йод и прочие. Они в небольших количествах участвуют во всех круговоротах.

Появление гигантских свалок, полигонов, шламонакопителей, золоотвалов, сброс загрязненных сточных вод и др. привело к тому, что вклад антропогенной деятельности имеет один порядок с природной миграцией или, в некоторых случаях, значительно превышает последний. Это, согласно третьему закону экологии, влечет за собой непредсказуемые последствия для всех биотических (живых) компонентов экосистем, в том числе и людей.

Таблица 2.7. Состав загрязнений, ПДС и нормативные платежи за сброс сточных вод гальванического производства

Вещество	Концентрация загрязнителей, мг/л	ПДС, мг/л	Нормативная плата, р./т
			Cпдс	Сппс
Fе (общ)	59	2,20	2755	13775
Сг6+	15	0,008	13774	68870
Cd2+	1,0	0,04	55096	275480
Zn2+	7,5	0,006	27548	137740
Ni2+	4,0	0,02	27548	137740
Сu2+	1,0	0,009	275481	1377405
ПАВ	-	0,05	552	2760

Одним из примеров такого загрязнения может служить сброс тяжелых металлов в процессах нанесения гальванических покрытий. Такие участки или цеха имеют практически все предприятия. Состав этих загрязнений, предельно допустимые концентрации сброса (ПДС) и нормативные платежи представлены в табл. 2.7.

Рассчитав экологический ущерб, наносимый водной. экосистеме, по уравнению

у = mпдс•n• Спдс + mппс•n•Сппс

можно оценить прибыль предприятия, равную разности нормативных платежей за сброс загрязненных сточных вод и сточных вод с нормами ПДС в случае постройки очистной установки.

2.6 Круговорот воды

В этом процессе происходит очистка, накопление и перераспределение планетарного запаса воды. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация ларов, осадки (дождь, град, снег) и сток воды с суши в моря и океаны для возобновления цикла. Это вызывает эрозию почв, которая приводит к миграции различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.

Значительная часть возвращающейся на сушу воды просачивается глубоко в грунт. Там происходит накопление грунтовых вод в водоносных горизонтах - подземных резервуарах, расположенных как внутри, так и между различными формациями горных пород. Подземные источники и водотоки в итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи - откуда она вновь испаряется или стекает в океан. Циркуляция подземных вод происходит несравненно медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод.

Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:

1. Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению океанической соленой воды в подземные водоносные горизонты.

2. Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, жилья и других видов деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым усиливая эрозию почв.

Несмотря на то, что за пользование пресной водой установлена плата (1,5 к./м3 в ценах 1991г.), ее использование на технические нужды непрерывно увеличивается. Многие предприятия могли бы значительно сократить расходы и снизить нагрузку на окружающую среду, если бы ввели в технологические процессы внутренние водооборотные циклы. Экономический эффект от внедрения этого процесса можно рассчитать на примере эксплуатации очистной установки сточных вод гальванопроизводства с водооборотным циклом (данные для расчета представлены в табл. 2.7). При таком процессе экономический и экологический эффект получается в результате отсутствия платежей за водозабор, а также за прекращение сброса сточных вод.

3. Вопросы к практ...