Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра охраны труда и окружающей среды

 

 

ЭКОЛОГИЯ И УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ

Конспект лекций
для студентов –  бакалавров специальности
5В073100- Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды

 

 

Алматы 2013

 

СОСТАВИТЕЛИ: А.С. Бегимбетова. Экология и устойчивое развитие. Конспект лекций для студентов –  бакалавров специальности 5В073100- Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды. - Алматы: АУЭС, 2013 -  45 с.

 

Конспект лекций предназначен для студентов-бакалавров с целью изучения дисциплины «Экология и устойчивое развитие». Конспект лекций рекомендован для студентов-бакалавров - специальности 5В073100- Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды.

Табл. 6, рис. 6, библиогр. - 10 назв.

 

Рецензент: доцент кафедры ЭССиС  Кузембаева Р.М.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский  университет энергетики и связи» на 2013 г.

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.

 

1 лекция. Введение в экологию. История развития экологии

 

Цель лекции: ознакомить студентов с историей развития экологии как науки, с  основными задачами и методами дисциплины «Экология и устойчивое развитие».

Содержание лекции: определение и история развития экологии как науки, взаимосвязь экологии с другими науками.

  

Экология (от греч. «ойкос» - жилище и «логос» - учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой.

Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т.е единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания.

В последнее время роль и значение биосферы как объекта экологического анализа непрерывно возрастает. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой, что связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса.

Исходя из этого, к основным задачам экологии относится:

- разработка теории устойчивости экологических систем;

- изучение экологических механизмов адаптации к среде;

- изучение биотического разнообразия и механизмов его поддержания;

- исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости.

Основными прикладными задачами предмета «Экология и устойчивое развитие» являются следующие:

- прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека;

- улучшение качества окружающей природной среды;

- сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

- оптимизация инженерных, экономических, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе восприятия человеческого общества как неотъемлемой части биосферы.

Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих отношение живого к окружающей его среде, возникла давно. В истории развития экологии можно выделить три основных этапа.

Первый этап - зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. ХIХ в.) На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.

Цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и орудия труда, позволившие ему изменять среду обитания. Переход к земледелию и затем к скотоводству явился кардинальным рубежом в истории человечества. С развитием цивилизации развивались экологические познания и экологические проблемы.

Жан Батист Ламарк (1744 -1829) в книге «Философия зоологии» впервые широко поставил вопрос о влиянии среды на организмы. Ж. Б. Ламарк так сформулировал выводы своих изысканий: «Спустя множество следующих друг за другом поколений, индивиды, относившиеся по происхождению к одному виду, в конце оказываются превращенными в новый вид, отличный от первоначального».

Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (60-е гг. XIX в.- 50-е гг. XX в.).

Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К. Ф. Рулье (1814-1858), Н. А. Севецова (1827-1885), В. В. Докучаева (1846-1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809-1882). Ключевое положение в учении Дарвина занимает теория естественного отбора в результате борьбы за существование. Дарвин писал, что каждый организм зависит не только от условий местообитания, но и от всех других окружающих его существ. В результате естественного отбора сохраняются те организмы, в которых произошли изменения, дающие преимущества для существования в данных условиях.

Третий этап - (50-е гг. XX в. – до настоящего времени) превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой науки экология превращается в «значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики..» (Реймерс, 1994).

          Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Дж.М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швейцер, Т.Миллер, Б.Небел и др. Среди ученых России следует назвать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В Г. Горошкова, Н.Ф. Реймерса, В.В. Розанова, В Д. Федорова и др.

 

2 лекция. Экология особи – аутэкология

 

Цель лекции: сформировать целостное представление о взаимодействиях организмов со средой обитания и экологических факторах.

Содержание лекции: условия и среды обитания организмов, экологические факторы среды обитания, реакция организма на действие экологических факторов.

 

Аутоэкология исследует индивидуальные связи отдельного организма (вида, особи) с окружающей его средой.

 Среда обитания организма – это совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Свойства среды постоянно меняются, и любое существо, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям.

Земной биотой освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с горными породами приповерхностной части литосферы. Также биологи выделяют четвертую среду жизни – сами живые организмы, заселенные паразитами и симбионтами.

Любой живой организм реагирует  на экологические факторы среды, в которых он проживает.

В понятие природной среды (ниши)  входят все условия живой и неживой природы, в которых существует организм, популяция, природное сообщество. Природная среда (ниша)  прямо или косвенно влияет на их состояние и свойства.

Компоненты природной среды, влияющие на состояние и свойства организма, популяции, природного сообщества, называют экологическими факторами – любое условие сред, на которое живой организм  реагирует приспособительными реакциями. Среди них различают  три разные по своей  природе группы факторов: абиотические, биотические, антропогенные.

 Абиотические факторы – это факторы неживой природы, прежде всего  климатические: солнечный свет, температура, влажность воздуха, ветер, давление; местные: рельеф, свойства почвы, соленость течения, радиация и т.д; химические (газовый состав воздуха , солевой состав воды, кислотность).

Биотические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания.

Антропогенные факторы – формы деятельности человека, оказывающие прямое действие на жизнь организмов  или косвенное влияние на них посредством изменения среды обитания. К таким факторам относится  воздействие  сельскохозяйственного производства, промышленности, транспорта и всех других форм ведения хозяйства.  Современные  экологические  проблемы и возрастающий интерес к экологии связан с действием антропогенных факторов.

Разные экологические факторы, такие как температура, влажность, наличие пищи действуют на каждую особь. В ответ на это у организмов через естественный отбор  вырабатываются различные  приспособления к ним.

Адаптация – различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся  у организмов  в процессе эволюции. Способность к адаптации  - одно из основных свойств живых организмов, обеспечивающих возможность своего существования. К основным факторам, развивающим процесс адаптации относятся: наследственность, изменчивость, естественный  (равно как и искусственный, осуществляемый человеком) отбор.

В середине XIX века Ю. Либих установил закон минимума: урожай (продукция) зависит от фактора, находящегося в минимуме. Этот закон имеет ограниченное действие и только на уровне химических веществ.

Наиболее полно всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности (см. рисунок 2.1).

 

 

Рисунок 2.1 - Толерантность организмов к действию экологического фактора

 

В зависимости от  диапазона толерантности живые организмы делятся на эврибионтов и стенобионтов. Эврибионт – организм, способный жить в различных,  порой резко отличающихся  друг от друга условиях среды. Стенобионт – организм, требующий строго определенных условий среды.

В жизни живых организмов большое значение имеют физиологические адаптации, простейшей из которых является акклиматизация – физиологическое приспособление к перенесению жары и холода.

 

3 лекция. Экология популяций – демоэкология

 

          Цель лекции: изучить структуру, статические и динамические показатели популяции, ознакомить слушателей с основными принципами построения кривых выживания живых организмов.

          Содержание лекции: понятие и определение популяции, основные свойства популяции, динамические характеристики популяции, экспоненциальный рост численности популяции.

 

Демоэкология изучает структуру и динамику популяции отдельных видов.

Популяция – любая, способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида.

 

3.1 Статические и динамические показатели популяций

 

Количественные показатели популяции делятся на: статические и динамические.

Статические  показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени и включают в себя:

1) численность – поголовье животных или количество растений в пределах некоторой пространственной единицы – ареала, реки, моря, области и т.д.;

2) плотность – число особей или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади или объема;

3) показатели структуры – половой (соотношение полов), размерный (соотношение количества особей разных размеров), возрастной состав (соотношение количества особей различного возраста);

4) характер распределения особей (равномерное, неравномерное, случайное) в пределах ареала.

Динамические показатели популяции отражают процессы, протекающие в популяции  за определенный промежуток времени и включают  в себя:

1) рождаемость – число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени  в результате размножения;

2) скорость роста популяции – изменение численности популяции в единицу времени. Скорость роста может быть положительной, отрицательной, нулевой. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции;

3) смертность – число особей, гибнущих в течение определенного промежутка времени.

Продолжительность жизни вида зависит от условий (факторов) жизни. Физиологическая продолжительность жизни определяется только физиологическими возможностями организма. Теоретически она возможна, если допустить, что в период всей жизни организма на него не оказывают влияние лимитирующие факторы. Максимальная продолжительность жизни – это такая продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях. Для определения структуры продолжительности жизни строят кривые выживания, где отражена зависимость количества доживших до определенного возраста особей от продолжительности этого интервала с самого момента рождения организмов. Выделяют три основных кривых выживания, к которым в той или иной мере приближены все известные кривые (см. рисунок 3.1).

Кривая I типа (кривая дрозофилы), когда на протяжении всей жизни смертность ничтожна мала, резко возрастая в конце ее, характерна для насекомых, которые обычно гибнут после кладки яиц, к ней приближаются кривые выживания человека в развитых странах, а также некоторых крупных млекопитающих.

Кривая II типа (диагональная) характерна для видов, у которых смертность остается постоянной в течение всей жизни, встречается среди рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.

Кривая III типа – это случаи массовой гибели особей в начальный период жизни. Гидробионты и другие организмы, незаботящиеся о потомстве, выживают за счет огромного числа личинок, икринок, семян и т.п.

 

 

Рисунок 3.1 – Различные типы кривых выживания

 

 

3.2 Экспоненциальный и логистический рост численности популяции

 

В конце  XVII в. Томас Мальтус (1766-1834) выдвинул свою известную теорию о росте народонаселения в геометрической прогрессии. Эта закономерность роста выражается кривой, изображенной на рисунке 3.2. Эта кривая описывается уравнением

 

                                                   N_t=N₀e^rt,                                                  (3.1)

 

где N - численность популяции в момент времени t;

N₀ – численность популяции в начальный момент времени t₀;

е – основание натурального логарифма (2,7182);

r - показатель, характеризующий темп размножения особей в данной популяции.

 

 

Рисунок 3.2 – Экспоненциальный рост численности популяции

 

Экспоненциальный рост возможен только когда r=const (имеет постоянное численное значение)^

 

                                      ∆N/∆t=rN.                                                           (3.2)

  

Таким образом, экспоненциальный рост численности популяции – это рост численности ее особей в неизменяющихся условиях. Условия, сохраняющиеся длительное время постоянными, невозможны в природе, так как существует множество ограничивающих факторов. В природе так и происходит: экспоненциальный рост наблюдается достаточно короткое время, после чего ограничивающие факторы его стабилизируют, и дальнейшее развитие популяции идет по логистической модели (см. рисунок 3.3).

 

 

                К – предельная численность

Рисунок 3.3 – Логистическая модель роста популяции

 

Сумма физических  и биологических  факторов, не позволяющих данному виду достигнуть  максимальной численности, называется сопротивлением среды (см. таблицу 3.1).

 

Т а б л и ц а 3.1 – Биотический потенциал и сопротивление среды

Биотический потенциал	Сопротивление среды
Рождаемость Способность к расселению Способность к захвату новых мест обитания Защитные механизмы Способность выдерживать неблагоприятные условия	Нехватка питания Нехватка воды Нехватка подходящих мест обитания Неблагоприятные погодные условия Хищники Болезни Паразиты Конкуренты

 

Помимо этого, существует саморегуляция, при которой на численности популяции сказывается изменение качества особей.

 

4 лекция. Экология сообществ – синэкология

 

Цель лекции: объяснить значение терминов «биоценоз», «биотоп», «биогеоценоз», сформировать представления о взаимоотношениях организмов в биоценозе, изучить формы биотических взаимодействий популяций, виды экологических пирамид.

Содержание лекции: взаимодействие популяций в биогеоценозе, основные формы межвидовых связей в экосистемах, принцип конкурентного исключения Г.Ф. Гаузе, трофическая структура биоценоза, экологические пирамиды численности, биомассы и энергии.

 

Синэкология изучает взаимоотношение популяций, биотических сообществ и экосистем со средой.  Под биотическим сообществом понимают биоценоз.

Биоценоз – это организованная группа популяции  растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробоценоз), живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды. Биотоп – это место существования, место обитания биоценоза. Биоценоз с биотопом образует биологическую макросистему – биогеоценоз.

Экосистема - это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Данный термин введен в 1935 году английским экологом А. Тенсли. Самая большая экосистема - биосфера Земли, далее по уменьшению: суша, океан, тундра, тайга, лес, озеро (см. рисунок 4.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.1 – Экосистемы в биосфере

 

4.1 Основные формы межвидовых связей в экосистемах

 

В любом биогеоценозе все виды живых организмов занимают определенные экологические ниши, расселяясь так, чтобы не мешать друг другу. Экологическая ниша – место вида в природе, включающая положение его в пространстве и функциональную роль в сообществе. Знание экологической ниши позволяет ответить на вопросы: как, где и чем питается вид, чьей добычей он является, каким образом и где он обитает.

Экологическую нишу, определяемую только физиологическими особенностями организмов, называют фундаментальной, а ту, в пределах которой вид реально встречается в природе, - реализованной.

Реализованную нишу вид, популяция в состоянии «отстоять» в конкурентной борьбе.

Классификация всех возможных биотических взаимодействий приведена в таблице 4.1.

Явление экологического разобщения близкородственных видов получило название принципа конкурентного исключения, или принципа Гаузе, в честь русского ученого Гаузе, доказавшего его существование экспериментально в 1934 г.

 

Та б л и ц а 4.1 - Классификация биотических взаимодействий популяций двух видов (по Ю.Одуму, 1986)

Тип взаимодействия	Виды		Общий характер взаимодействия
	1	2
1. Нейтрализм	0	0	Ни одна популяция не влияет на другую
2. Конкуренция, непосредственное взаимодействие	-	-	Прямое подавление обоих видов
3. Конкуренция, взаимодействие из-за ресурсов	-	-	Непрямое подавление при дефиците внешнего ресурса
4. Аменсализм	-	0	Популяция 2 подавляет популяцию 1, но сама не испытывает отрицательного воздействия
5. Паразитизм	+	-	Популяция паразит 1 состоит из меньших по величине особей, чем популяция 2
6. Хищничество	+	-	Особи хищника 1 обычно крупнее, чем особи жертвы 2
7. Комменсализм	+	0	Популяция 1, комменсал, извлекает пользу от сожительства, а популяции 2 это объединение безразлично;
8. Протокооперация	+	+	Оба вида образуют сообщество, но могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им обоим пользу
9. Мутализм	+	+	Взаимодействие благоприятно для обоих видов и обязательно

«0» означает, что популяция не испытывает никакого влияния при взаимодействии видов; «+» - получает пользу от взаимодействия видов; «-» - испытывает отрицательное влияние такого взаимодействия.

Не существует двух различных видов, занимающих одинаковые экологические ниши, но есть близкородственные виды, часто настолько сходные, что им требуется по существу одна и та же ниша. В этом случае возникает особо жесткая конкуренция, но в конечном итоге нишу занимает один вид.

 

4.2 Трофическая структура биоценоза

 

Взаимоотношения  между организмами в экосистеме в процессе жизнедеятельности  строятся  на основе  цепей питания, или трофических цепей. 

В экосистемах перенос энергии пищи  от ее источника – растений через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, и называется пищевой (трофической) цепью.

В любой экосистеме происходят  взаимодействия, под которыми понимают пищевые (трофические) связи и соотношения компонентов: микробоценоза – редуцентов – организмов, живущих за счет энергии мертвого органического вещества и обеспечивающих  его разрушение с получением исходных минеральных элементов в виде, удобном для использования растениями и для воспроизводства первичной органической продукции; фитоценоза – продуцентов - производителей первичной продукции, аккумулирующих  энергию солнца; зооценоза – консументов, производителей вторичной продукции, использующих для своей  жизнедеятельности  энергию, заключенную в органическом  веществе фитоценоза.

Трофическую структуру, т.е. функциональные взаимосвязи, можно изобразить графически, в виде экологических пирамид, наглядно показывающих соотношение между продуцентами, консументами и редуцентами в естественных экосистемах.

Известны три основных типа экологических пирамид:

1) пирамида чисел, отражающая численность отдельных организмов на каждом уровне (пирамида Элтона);

2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества – общий сухой вес, калорийность и т.д.;

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

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (см. рисунок 4.1).

 

Рисунок 4.1 – Упрощенная схема пирамиды Элтона

 

Правило пирамиды биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников.

Правило пирамиды продукции (энергии): на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени (или энергии), больше чем на последующем.

 

5 лекция. Биосфера и ее устойчивость

 

Цель лекции: сформировать целостное представление о концепции биосферы; изучить функции живого вещества и его значение в формировании биосферы; ознакомиться с учением В.И Вернадского о биосфере, ноосфере.

Содержание лекции: формирование концепции биосферы, функции живого вещества в биосфере, круговорот веществ в биосфере, учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере.

 

Биосфера (греч. bios — жизнь, sphaira — шар, сфера) — сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты.

Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании - учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В. И. Вернадский.

 

5.1 Эволюция биосферы

 

Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов – цианобактерий и сине-зеленых водорослей, а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.

 Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде всего – животные. Главным в их развитии является выход на сушу и заселение материков и, наконец, появление человека.

Биосфера — внешняя оболочка Земли, в которую входят: часть атмосферы до высоты 25—30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды и горных пород и органического вещества — биоты обусловило формирование почв и осадочных пород. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи. В сжатом виде идеи В.И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1) Вначале сформировалась литосфера - предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше - биосфера.

2) В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3) Живые организмы - главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (В.И. Вернадский, 1934).

4) Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.

5) Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

 

5.2 Учение В.И. Вернадского о биосфере

 

Учение В. И. Вернадского о биосфере — это целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть представлена:

1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства;

2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни;

3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.

В основе биогенной миграции в биосфере лежат два биохимических принципа:

- стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;

- обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

Под живым веществом В.И Вернадский понимает все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы - он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых его масса составляет 2420 млрд т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду - в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов.

По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает:

- живое вещество (т. е. все живые организмы);

- биогенное (уголь, известняки, нефть и др.);

- косное (в его образовании живое не участвует, например магматические горные породы);

- биокосное (создается с помощью живых организмов);

- радиоактивное вещество;

- вещество космического происхождения (метеориты и др.);

- рассеянные атомы.

Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.

Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. По словам В. И. Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, — писал В. И. Вернадский, — имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему» (В. И. Вернадский, 1934).

В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления о формах превращения вещества, путях биогенной миграции атомов, т. е. миграции химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.

Вернадский выделяет пять функций живого вещества в биосфере:

1) газовая – основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики;

2) концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов – первый кальций, концентратами кремния являются диатомовые водоросли, йода – водоросли (ламинария), фосфора – скелеты позвоночных животных;

          3) окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или осаждения ряда металлов и неметаллов;

4) биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества;

          5) биогеохимическая деятельность человека охватывает все рназрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека.

Выполняя перечисленные функции, живое вещество адаптируется к окружающей среде и приспосабливает ее к своим биологическим потребностям.

 

          5.3 Учение В.И. Вернадского о ноосфере

 

          Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) — высшая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития» (БСЭ, т. 18, с.13).

Ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу, которая способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» Космос).

Воздействие человеческого общества, как единого целого на природу по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. В. И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов» (Размышления натуралиста. Кн. 2, 1977).

Эти гениальные мысли В. И. Вернадского позволили ряду ученых допустить в дальнейшем и такой ход событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возникнет ноосфера, но это будет происходить благодаря «новым формам действия живого вещества на обмен атомов живого вещества с косной материей». Он считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение, — ноосферы».

Становление ноосферы, по В. И. Вернадскому, — процесс длительный, но ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодействии человека и природы, трудно увязать с наступлением эпохи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и научной мысли ноосферы налицо: они вышли уже за пределы биосферы Земли, в Космос и глубины литосферы (сверхглубокая Кольская скважина). По мнению многих ученых — ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы. «Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу... На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», — утверждал В. И. Вернадский.

 

6 лекция. Концепция устойчивого развития

 

Цель лекции: объяснить студентам основные принципы и цели устойчивого развития для повышения уровня и качества жизни населения на основе научно-технического прогресса, дать представление о роли международного сотрудничества для обеспечения устойчивого развития.

Содержание лекции: история возникновения понятия «устойчивое развитие»,уровни и принципы устойчивого развития, международное сотрудничество.

 

Концепция устойчивого развития вошла в природоохранный лексикон после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.).

По первоначальному определению, устойчивое развитие формулировалось как «модель движения вперед, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности, будущих поколений. В рамках Глобального экологического форума в Рио-де-Жанейро были сформулированы следующие основные принципы о неразрывности эколого-экономических связей:

- экономическое развитие в отрыве от экологии ведет к превращению планеты в пустыню;

- упор на экологию без экономического развития закрепляет нищету и несправедливость.

Особо подчеркивалось, что понятие устойчивого развития общества подразумевает обеспечение возможности удовлетворения потребностей людей без угрозы возможности удовлетворить таковые для будущих поколений.

Основные принципы устойчивого развития:

1) право людей на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;

2) охрана окружающей среды как неотъемлемая часть процесса развития;

3) удовлетворение потребностей в благоприятной окружающей среде как нынешнего, так и будущего поколений;

4) уменьшение разрыва в уровне жизни между народами мира, а также между бедными и богатыми в каждой стране;

5) совершенствование природоохранного законодательства;

6) исключение моделей развития производства и потребления, не способствующих устойчивому развитию.

Исходя из этих принципиальных положений, основными направлениями перехода Казахстана к устойчивому развитию были приняты следующие:

- создание правовой основы перехода к устойчивому развитию, включая совершенствование действующего законодательства;

- разработка системы стимулирования хозяйственной деятельности и установление пределов ответственности за ее экономические результаты, при которых биосфера воспринимается уже не только как поставщик ресурсов, а как фундамент жизни, сохранение которого должно быть непременным условием;

- оценка хозяйственной емкости локальных и региональных экосистем страны, определение допустимого антропогенного воздействия на них;

- формирование эффективной системы организации устойчивого развития и создания соответствующей системы воспитания и обучения.

Уровни устойчивого развития:

- локальный;

- региональный;

- национальный;

- межгосударственный;

- глобальный.

Факторы устойчивого развития:

- экологический;

- экономический;

- социальный.

Подписав в Рио-де-Жанейро базовые документы Конференции ООН по окружающей среде и развитию, Казахстан принял, наравне с другими странами, ответственность за сотрудничество в области перехода к устойчивому развитию. За прошедшие годы в Казахстане осуществлены крупные экономические преобразования и структурная перестройка. Разработаны и приняты основополагающие стратегические документы, определяющие развитие страны и основывающиеся на принципах устойчивого развития [Назарбаев Н. Казахстан – 2030: процветание, безопасность и улучшение благосостояния всех казахстанцев. Послание Президента страны народу Казахстана. - Алматы: Білім, 1997.-256 с.]. В частности, Казахстан первым на планете добровольно отказался от ядерного оружия; выступил инициатором многих мер по обеспечению региональной безопасности и стабильности в рамках Центральной Азии, СНГ и евразийского пространства. В 1997 году в Республике, впервые применив подходы стратегического планирования, была разработана и принята Долгосрочная Стратегия развития страны до 2030 г., в которой одними из главных приоритетов развития Казахстана определены улучшение условий и повышение уровня жизни казахстанцев; стабилизация качества состояния окружающей среды; сохранение природных ресурсов для будущих поколений.

 

          7 лекция. Природные ресурсы и рациональное природопользование

 

          Цель лекции: ознакомить с классификацией природных ресурсов, уяснить важность сохранения генофонда живых существ, изучить основные принципы природопользования.

          Содержание лекции: природные ресурсы и их значение, классификация природных ресурсов, сохранение генофонда живых существ, принципы рационального природопользования, малоотходные и безотходные технологии.

 

          Природные (естественные) ресурсы - это природные объекты и явления, которые человек использует для создания материальных благ, обеспечивающих не только поддержание существования человечества, но и постепенное повышение качества жизни.

         

7.1 Классификация природных ресурсов

 

В основу классификации положено три признака: по источникам происхождения, по использованию в производстве и по степени истощаемости ресурсов.

1. По источникам происхождения ресурсы подразделяются на биологические, минеральные и энергетические.

Биологические ресурсы - это все живые средообразующие компоненты биосферы: продуценты, консументы и редуценты с заключенным в них генетическим материалом (Реймерс, 1990). К ним относятся промысловые объекты, культурные растения, домашние животные, живописные ландшафты, микроорганизмы, т. е. сюда относятся растительные ресурсы, ресурсы животного мира и др.

Минеральные ресурсы - это все пригодные для употребления вещественные составляющие литосферы, используемые в хозяйстве как минеральное сырье или источники энергии. Минеральное сырье может быть рудным, если из него извлекаются металлы, и нерудным, если извлекаются неметаллические компоненты (фосфор и т. д.), или используются как строительные материалы.

Если же минеральные богатства используются как топливо (уголь, нефть, газ, горючие сланцы, торф, древесина, атомная энергия) и одновременно как источник энергии в двигателях, для получения пара и электричества, то их называют топливно-энергетическими ресурсами.

Энергетическими ресурсами называют совокупность энергии Солнца и космоса, атомно-энергетических, топливно-энергетических, термальных и других источников энергии.

2. По использованию в производстве ресурсы классифицируют на

- земельный фонд - все земли в пределах страны и мира, входящие по своему назначению в следующие категории: сельскохозяйственные, населенные пункты, несельскохозяйственного назначения (промышленности, транспорта, горных выработок и т. п.), мировой земельный фонд - 13,4 млрд га;

- лесной фонд - часть земельного фонда Земли, на которой произрастает или может произрастать лес, выделенные для ведения сельского хозяйства и организации природных особо охраняемых территорий; он является частью биологических ресурсов;

- водные ресурсы - количество подземных и поверхностных вод, которые могут быть использованы для различных целей в хозяйстве (особое значение имеют ресурсы пресных вод, основным источником которых являются речные воды);

- гидроэнергетические ресурсы, которые способна дать река, приливно-отливная деятельность океана и т. п.;

- ресурсы фауны - количество обитателей вод, лесов, отмелей, которые может использовать человек, не нарушая экологического равновесия;

- полезные ископаемые (рудные, нерудные, топливно-энергетические ресурсы) - природное скопление минералов в земной коре, которое может быть использовано в хозяйстве, а скопление полезных ископаемых образует их месторождения, запасы которых должны иметь промышленное значение.

3. По степени истощаемости ресурсы подразделяют на:

- неисчерпаемые ресурсы - непосредственно солнечная энергия и вызванные ею природные силы, например, ветер и приливы существуют вечно и в неограниченных количествах;

 - исчерпаемые ресурсы имеют количественные ограничения, но одни из них могут возобновляться, если есть к этому естественные возможности или даже с помощью человека (искусственная очистка воды, воздуха, повышение плодородия почв, восстановление поголовья диких животных и т. п).

На основе интенсивности и скорости естественного образования исчерпаемые ресурсы делят на подгруппы:

а) невозобновляемые, к которым относят:

- все виды минеральных ресурсов или полезные ископаемые. Они как известно, постоянно образуются в недрах земной коры в результате непрерывно протекающего процесса рудообразования, но масштабы их накопления столь незначительны, а скорости образования измеряются многими десятками и сотнями миллионов лет (например, возраст каменных углей насчитывает более 350 млн. лет), что практически их учитывать в хозяйственных расчетах нельзя;

- земельные ресурсы в их естественном природном виде, морфологическое устройство поверхности (т. е. рельеф) существенно влияет на хозяйственную деятельность, на возможность освоения территории. Однажды нарушенные земли (например, карьерами) при крупном промышленном или гражданском строительстве в своем естественном виде уже не восстанавливаются.

б) возобновляемые ресурсы, к которым принадлежат:

- ресурсы растительного мира;

- животного мира.

И те и другие восстанавливаются довольно быстро, и объемы естественного возобновления хорошо и точно рассчитываются. Поэтому при организации хозяйственного использования накопленных запасов древесины в лесах, травостоя на лугах или пастбищах, промысла диких животных в пределах, не превышающих ежегодное возобновление, можно полностью избежать истощения ресурсов.

в) относительно (не полностью) возобновляемые.

Некоторые ресурсы хотя и восстанавливаются в исторические отрезки времени, но возобновляемые объемы их значительно меньше объемов хозяйственного потребления. Именно поэтому такие виды ресурсов оказываются весьма уязвимыми и требуют особенно тщательного контроля со стороны человека. К относительно возобновляемым ресурсам относятся и очень дефицитные природные богатства:

- продуктивные пахотно-пригодные почвы;

- леса с древостоями спелого возраста;

- водные ресурсы в региональном аспекте.

 

7.2 Сохранение генофонда живых существ

 

Особое значение имеет генофонд живых существ, который относят к биологическим ресурсам.

В отношении генетических ресурсов существуют различные формулировки. Одной из  наиболее распространенных является формулировка,  которая дана в Конвенции о биологическом разнообразии - крупном международном соглашении, заключенном в 1992 г. (Рио-де-Жанейро) вне рамок существующих международных организаций, одобренным Республикой Казахстан постановлением Кабинета Министров Республики Казахстан от 19 августа 1994 г. № 918. «Генетические ресурсы - генетический материал, представляющий фактическую или потенциальную ценность для человечества и подразумевающий любой биологический материал растительного, животного, микробного или иного происхождения, содержащий функциональные единицы наследственности».

Созданная в процессе становления вида Homo sapiens генетическая программа человека определяет его как биологический вид.

 Она записана в молекулах ДНК, достаточно консервативна и представляет собой самый драгоценный из природных ресурсов. Но тем не менее от поколения к поколению ДНК человека вовлекаются в разнообразные генетические процессы - фактически в такие же, в какие вовлекаются ДНК всех остальных животных:

1) мутационный процесс, непосредственно изменяющий структуру ДНК;

2) миграция генов - отток или приток генов из других популяций;

3) дрейф генов - случайные колебания частот генов;

4) естественный отбор - направленно изменяющий частоты генетических признаков.

Мутационный процесс в условиях естественного фона радиации не может повлиять на жизнь популяций. Но человек сам ввел в свою окружающую среду ядерную энергию, обладающую исключительной мутационной активностью. Он использует в быту и на производстве сотни тысяч химических соединений, среди которых появились и химические мутагены, в том числе и химические соединения, которые прежде не встречались в природе.

Случайный дрейф и миграции генов среди животных обычное явление, приводящее к образованию экотипов, которые, развиваясь изолированно, могут образовать в результате эволюции новую расу или даже новую видовую популяцию. Что же касается человека, то в настоящее время, в условиях развитости транспорта, миграции в город из сел (урбанизация) и, вообще, подвижности населения, географические расстояния уже не играют роли.

Естественный отбор сыграл решающую роль в эволюции всех видов, в том числе и Homo sapiens. Человек современного типа возник в последнюю ледниковую эпоху, примерно 40-50 тыс. лет тому назад. Как мы уже отмечали, за этот период он занимался охотой, собирательством, значительно позже - скотоводством, земледелием и ремеслами и только последние два - три века получило бурное развитие промышленное производство. На протяжении всей этой истории постепенно снижалась роль природной и возрастала роль искусственной среды в жизни человека. При этом изменялись величина и качественный характер давления естественного отбора.

 

7.3 Принципы рационального природопользования

 

Природопользование – общественно-производственная деятельность, направленная на удовлетворение материальных и культурных потребностей общества путем использования различных видов природных ресурсов и природных условий. По Реймерсу (1992) природопользование включает в себя:

- охрану, возобновление и воспроизводство природных ресурсов;

- использование и охрану природных условий среды жизни человека;

- сохранение, восстановление экологического равновесия природных систем;

- регуляцию воспроизводства человека и численности людей.

Наиболее важной является жизнеобеспечивающая форма природопользования, включающая использование воздуха для дыхания, воды для питья, растительный и животный мир для питания.

Формы природопользования осуществляются в двух видах: общего и специального природопользования.

Общее природопользование не требует специального разрешения (пользование водой, воздухом).

Специальное природопользование осуществляется физическими и юридическими лицами на основе разрешения уполномоченных государственных органов.

В зависимости от последствий хозяйственной деятельности человека различают:

-  нерациональное;

-  рациональное природопользование.

Нерациональное природопользование не обеспечивает сохранение природно-ресурсного потенциала, ведет к оскудению и ухудшению качества природной среды, сопровождается загрязнением и истощением природных систем, нарушением экологического равновесия и разрушением экосистем.

 Рациональное природопользование означает комплексное научно-обоснованное использование природных богатств, при котором достигается максимально возможное сохранение природно-ресурсного потенциала, при минимальном нарушении способности экосистем к саморегуляции и самовосстановлению.

 

8 лекция. Антропогенные воздействия на атмосферу

 

Цель лекции: ознакомить студентов с основными видами и источниками загрязнения воздушного бассейна, объяснить важность предотвращения глобальных последствий загрязнения атмосферного воздуха.

Содержание лекции: состав атмосферы, источники загрязнения атмосферного воздуха и их классификация, глобальные экологические последствия загрязнения воздушного бассейна.

 

8.1 Состав атмосферы

 

Атмосфера (греч. «атмос» - пар) - газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы - 5,15 - 10¹⁵ т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20-25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.

Химический состав атмосферы весьма однороден: азота — 78,8% кислорода — 21, аргона — 0,9; углекислого газа — 0,03% по объему. По современным данным, концентрации диоксида углерода (С0₂) и кислорода (О₂) в значительной степени лимитирующие факторы даже в наземных условиях: содержание СО₂ находится где-то в минимуме, а кислорода — в максимуме толерантности растений по этим факторам (Ю. Одум, 1986).

Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений, задерживается масса метеоритов.

 

8.2 Виды и источники загрязнения атмосферы

 

 Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т.д. Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера.

          Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем.

Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др. Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.

В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы загрязнения атмосферы: местное, региональное и глобальное. Местное загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.) При региональном загрязнении в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета. Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы в целом.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на:

- газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.);

- жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);

- твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, ор­ганическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека — диоксид серы ( SО₂), оксиды азота ( NO_x ), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ. Помимо главных загрязнителей в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, среди которых — формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод и др.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются:

1) Тепловые и атомные электростанции, котельные установки (диоксид и оксид углерода, оксиды серы, азота, углеводороды, радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли).

2) Черная и цветная металлургия (твердые частицы, оксиды серы, оксид углерода, фенол, формальдегид, бензол, аммиак, в небольших количествах: марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути).

3) Химическое производство (оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы – смесь оксидов азота, хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль).

4) Выбросы автотранспорта (бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота, углерода, соединения свинца).

 

8.3 Экологические последствия загрязнения атмосферы

 

1. Смог – ядовитая смесь дыма, тумана и пыли. Различают два типа смога: зимний смог (лондонский тип) и летний (лос-анджелесский тип).

Лондонский тип смога возникает зимой в крупных промышленных городах при отсутствии ветра и температурной инверсии. Температурная инверсия представляет собой повышение температуры воздуха с высотой в определенном слое атмосферы (обычно 300-400 м от поверхности Земли) вместо обычного понижения. При этом нарушается циркуляция воздуха, дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Концентрация оксидов серы и углерода, взвешенной пыли достигает опасных для здоровья человека уровней, приводит к расстройству пищеварения, дыхания, а нередко и к смерти. Так, в 1952 году в Лондоне от смога погибло более 4 тыс. человек, а около 10 тыс. тяжело заболели.

Лос-анджелесский тип смога или фотохимический смог возникает летом при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, перенасыщенный выхлопными газами автомобилей. При безветрии в этих условиях происходят реакции образования новых высокотоксичных загрязнителей – фотоокисидантов (озона, органических перекисей, нитритов и др.), которые воздействуют на слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, легких и органов зрения.

2. «Парниковый эффект». В настоящее время, наблюдаемое изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплениями в атмосфере так называемых «парниковых газов» — диоксида углерода (СО₂), метана (СН₄), хлорфторуглеродов (фреонов), озона (О₃), оксидов азота и др. Парниковые газы, и в первую очередь СО₂, препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли. Атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы. Она, с одной стороны, пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой — почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.

 В связи со сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива: нефти, газа, угля и др. (ежегодно более 9 млрд. т. условного топлива) — концентрация СО₂ в атмосфере постоянно увеличивается. За счет выбросов в атмосферу при промышленном производстве и в быту растет содержание фреонов (хлорфторуглеродов). На 1—1,5% в год увеличивается содержание метана (выбросы из подземных горных выработок, сжигание биомассы, выделения крупным рогатым скотом и др.). В меньшей степени растет содержание в атмосфере и оксида азота (на 0,3% ежегодно).

 3. Разрушение озонового слоя над Землей. Озоновый слой охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20—25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области. Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона. По данным международной экологической организации «Гринпис», основными поставщиками хлорфторуглеродов (фреонов) являются США— 30,85%, Япония — 12,42%, Великобритания — 8,62% и Россия — 8,0%. США пробили в озоновом слое «дыру» площадью 7 млн. км², Япония — 3 млн. км², что в семь раз больше, чем площадь самой Японии.

4. Образование кислотных осадков. Кислотные дожди образуются при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы. Под действием кислотных осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы — свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Например, возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг на один литр летально для рыб. Резко сокращается развитие фитопланктона, так как фосфаты, активизирующие этот процесс, соединяются с алюминием и становятся менее доступными для усвоения. Алюминий снижает также прирост древесины. Токсичность тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.) проявляется еще в большей степени.

Ярким примером негативного воздействия кислотных осадков на природные экосистемы является закисление озер. Особенно интенсивно оно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов серы в таких промышленно развитых странах, как США, ФРГ и Великобритании, выпадают именно на их территории. Закисление озер опасно не только для популяций различных видов рыб, но часто влечет за собой постепенную гибель планктона, многочисленных видов водорослей и других его обитателей. Озера становятся практически безжизненными.

 

9 лекция. Охрана атмосферного воздуха

 

Цель лекции: изучить нормативы качества атмосферного воздуха, ознакомиться с методами очистки газодымовых выбросов от пыли и вредных газов.

Содержание лекции: нормативы качества атмосферного воздуха, предельно – допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, эффект суммации, методы очистки выбросов от пыли и вредных газов

 

9.1 Нормативы качества атмосферного воздуха

 

В целях определения критериев безопасности и (или) безвредности воздействия химических, физических, биологических и радиационных факторов на людей, животных и растений, особо охраняемые природные территории и иные объекты, а также в целях оценки состояния атмосферного воздуха устанавливаются экологические нормативы качества атмосферного воздуха и предельно допустимые уровни физических воздействий.

Согласно Закону Республики Казахстан от 11.03.2002 N 302-2 «ОБ ОХРАНЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА» качество атмосферного воздуха - совокупность физических, химических и биологических свойств атмосферного воздуха, отражающих степень его соответствия гигиеническим и экологическим нормативам.

Нормативы качества атмосферного воздуха следующие:

а) гигиенический норматив качества атмосферного воздуха - критерий качества атмосферного воздуха, который отражает предельно допустимую концентрацию вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе и при котором отсутствует вредное воздействие на здоровье человека;

б) экологический норматив качества атмосферного воздуха - критерий качества атмосферного воздуха, который отражает максимальное содержание вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе и при котором отсутствует вредное воздействие на окружающую среду;

в) предельно допустимый уровень физического воздействия на атмосферный воздух - норматив физического воздействия на атмосферный воздух, который отражает максимальный уровень физического воздействия на атмосферный воздух, при котором отсутствует вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду;

г) предельно допустимый норматив вредного физического воздействия на атмосферный воздух - норматив, который устанавливается для каждого источника, оказывающего шумовое, вибрационное, электромагнитное и другое физическое воздействие на атмосферный воздух и при котором вредное физическое воздействие не приводит к превышению предельно допустимых уровней физических воздействий на атмосферный воздух;

д) предельно допустимая концентрация вредных (загрязняющих) веществ в воздухе - показатель воздействий одного или нескольких вредных (загрязняющих) веществ на атмосферный воздух, превышение которого приводит к вредному воздействию на здоровье человека и окружающую среду;

е) временно согласованный выброс (ВСВ) — временный лимит выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для действующих стационарных источников выбросов с учетом качества атмосферного воздуха и социально-экономических условий развития соответствующей территории в целях поэтапного достижения установленного предельно допустимого выброса. Устанавливается в случае, если по причинам объективного характера в настоящее время не могут быть достигнуты нормативы ПДВ (вводится поэтапное снижение выбросов вредных веществ до значений, обеспечивающих соблюдение ПДК).
Норматив ПДВ (ВСВ) устанавливают в г/сек и в т/год для каждого источника загрязнения атмосферы и в целом по предприятию по результатам расчетов, представленных в томе ПДВ и утвержденных в установленном порядке. ПДВ (ВСВ) пересматривают не реже 1 раза в 5 лет. На основании нормативов выдается разрешение на выброс ЗВ в атмосферу.

Нормативы ПДВ устанавливаются на основании  расчета приземных концентраций. Величина ПДВ устанавливается  в  виде  массы  выбросов  в единицу времени, в г/с. Для одиночного  источника  с круглым сечением  рекомендуемая формула

 

                                                                                                                         (9.1)                                                                                    ,

 

где Сфi – значение фоновой концентрации, мг/м³;

A – коэффициент температурной стратификации; для Казахстана               А=200;

F  - коэффициент, учитывающий скорость оседания веществ;

η – коэффициент рельефа местности; η = 1 для ровной поверхности;

H – высота источника, м;

V₁- расход газовоздушной смеси, м³/с;

∆Т- разность между температурами отходящих газов и окружающего атмосферного воздуха, ⁰С;

m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья трубы.

Особенностью нормирования качества атмосферного воздуха является зависимость воздействия загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, на здоровье населения не только от значения их концентраций, но и от продолжительности временного интервала, в течение которого человек дышит данным воздухом. В Казахстане, как и во всем мире, для загрязняющих веществ установлены 2 норматива:

- норматив, рассчитанный на короткий период воздействия загрязняющих веществ. Данный норматив называется «предельно допустимые максимально–разовые концентрации»;

- норматив, рассчитанный на более продолжительный период воздействия (8 часов, сутки, по некоторым веществам год). В Казахстане данный норматив устанавливается для 24 часов и называется «предельно допустимые среднесуточные концентрации».

ПДК - предельная допустимая концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе – концентрация, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия на настоящее или будущее поколение, не снижающая работоспособности человека, не ухудшающая его самочувствия и санитарно-бытовых условий жизни. Величины ПДК приведены в мг/м3. (ГН 2.1.6.695-98)

ПДК_МР – предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация при вдыхании в течение 20-30 мин не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДК_СС – предельно допустимая среднесуточная концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании.

Класс опасности - показатель, характеризующий степень опасности для человека веществ, загрязняющих атмосферный воздух. Вещества делятся на следующие классы опасности:

                    - 1 класс - чрезвычайно опасные;

- 2 класс - высоко опасные;

                    - 3 класс - опасные;

          - 4 класс - умеренно опасные.

ИЗА - комплексный индекс загрязнения атмосферы, учитывающий несколько примесей, представляющий собой сумму концентраций выбранных загрязняющих веществ в долях ПДК (в соответствии с РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы). В зависимости от значения ИЗА уровень загрязнения воздуха определяется по таблице 9.1.

 

Т а б л и ц а 9.1 – Оценка степени индекса загрязнения атмосферы

Градации	Степень загрязнения атмосферы	Показатель загрязнения атмосферы	Оценка
I   II   III   IV	Низкое   Повышенное   Высокое   Очень высокое	ИЗА   ИЗА   ИЗА   ИЗА	0–4   5–6   7–13   ³ 14

 

При содержании в воздухе нескольких загрязняющих веществ, обладающих суммацией действия (синергизмом), например, диоксидов серы и азота; озона, и формальдегида, сумма их концентраций не должна превышать при расчете единицы:

 

              С₁/ПДК₁ + С₂/ПДК₂ +....+ С_n/ПДК_n < 1,                                   (9.2)

 

где С₁, C₂…C_n — фактические концентрации вредных веществ в воздухе, мг/м₃;

ПДК₁, ПДК₂...ПДК_n — максимально разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ, которые установлены для их изолированного присутствия, мг/м₃.

 

9.2 Методы очистки газодымовых выбросов

 

В настоящее время разработаны и широко применяются различные методы защиты атмосферного воздуха от загрязнений. Выбор того или иного метода зависит от ряда факторов, в том числе от: типа источника загрязнения атмосферного воздуха; агрегатного состояния вредных веществ в выбросах; размеров частиц в выбросах и др.

Для защиты атмосферного воздуха от загрязнений промышленными выбросами применяются различные пылеулавливающие и туманоулавливающие установки. По принципу действия их различают:

- сухие пылеуловители,

- мокрые пылеуловители,

- фильтры,

- электрофильтры.

Для оценки эффективности очистки газов от примесей применяют следующие основные показатели:

1)    Общая эффективность очистки определяется по формуле

 

                                       ,                                                          (9.3)

 

где С_вх, С_вых – соответственно, массовые концентрации примесей в газе до и после пылеуловителя или фильтра.

Для системы последовательно соединенных пылеулавливающих устройств или фильтров общая эффективность определяется, как:

 

                                ,                                                  (9.4)

где  η₁, η₂, η_n - общая эффективность очистки первого, второго и n-ого устройства или фильтра.

2) Коэффициент проскока К частиц через пылеуловитель можно определять по формуле:

 

                                             К=С_вых/С_вх ,                                                (9.5)

3) Гидравлическое сопротивление пылеуловителей  Р определяется как разность давлений воздушного потока на входе и выходе устройств и определяется либо экспериментально, либо рассчитывается по формуле: 

 

                                     ,                                          (9.6)

 

где Р_вх, Р_вых – соответственно давления воздушного потока на входе и выходе устройства;  

ρ, w – плотность и скорость воздуха в расчетном сечении пылеулавливающего устройства.

Выбор аппарата для очистки газов определяется рядом факторов, главными из которых являются размеры улавливае­мых частиц и заданная степень очистки газов. Исходя из этих параметров, можно ориентировочно выбирать газоочиститель­ные устройства по данным, приведенным в таблице 9.2.

 

Т а б л и ц а 9.2 – Степень очистки газоочистительных устройств

Аппарат	Размеры улавливаемых частиц в мкм	Степень очистки в %
Пылеосадительные камеры	5—20000	40—70
Центробежные пылеосадители	3—100	45—85
Электрофильтры	0,005—10	85—99
Гидравлические пылеуловители	0,01—10	85—99
Газовые фильтры	2—10	85—99

 

10 лекция. Охрана водных ресурсов

 

Цель лекции: ознакомить с классификацией водоснабжения и водопотребления, изучить нормирование вредных веществ в водоемах и способы очистки сточных вод.

Содержание лекции: водные ресурсы и значение воды в хозяйственной деятельности человека, водоснабжение и водопотребление, причины и источники загрязнения воды, состав вредных веществ в водоемах и ПДК, методы очистки сточных вод.

 

Вода является важнейшим фактором среды обитания и оказывает многообразное воздействие на все процессы жизнедеятельности организма. Без пищи, но с водой человек способен жить около 2 месяцев, а без воды – несколько дней.

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли, одна из геосфер, располагающаяся между атмосферой и литосферой; совокупность океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов. Гидросфера покрывает около 70,8% земной поверхности и целиком населена живыми организмами, которые оказывают воздействие на ее состав.

Водные ресурсы — поверхностные и подземные воды, которые находятся в водных объектах и используются или могут быть использованы. В более широком смысле — воды в жидком, твёрдом и газообразном состоянии и их распределение на Земле.

 

10.1 Водоснабжение и водопотребление

 

Согласно Водному кодексу Республики Казахстан от 9 июля 2003 года № 481-II виды водопользования классифицируются:

- по кругу субъектов выделяются:

1) общее водопользование осуществляется для удовлетворения нужд населения без закрепления водных объектов за отдельными физическими или юридическими лицами и без применения сооружений или технических устройств, влияющих на состояние вод. Общее водопользование может быть ограничено или запрещено в целях экологической, технической и санитарно-эпидемиологической безопасности населения.

2) специальное водопользование; к нему относится пользование поверхностными и подземными водными ресурсами непосредственно из водного объекта с изъятием или без изъятия для удовлетворения питьевых и коммунально-бытовых нужд населения, потребностей в воде сельского хозяйства, промышленности, энергетики, рыбоводства и транспорта, а также для сброса промышленных, коммунально-бытовых, дренажных и других сточных вод с применением сооружений и технических устройств.

Специальное водопользование осуществляется физическими и юридическими лицами на основании разрешения исключительно для определенных в нем целей и не должно нарушать права и законные интересы других лиц и причинять вред окружающей среде.

3) обособленное водопользование возникает при предоставлении водных объектов или их части в пользование одному физическому или юридическому лицу.

4) совместное водопользование возникает при предоставлении водных объектов или их части в пользование нескольким физическим и (или) юридическим лицам.

- по основаниям возникновения выделяются:

1) первичное водопользование - водопользование физических и юридических лиц, осуществляющих забор воды непосредственно из водных объектов для удовлетворения собственных нужд или поставки ее для вторичных водопользователей.

2) вторичное водопользование - водопользование физических и юридических лиц, получающих воду от первичного водопользователя на основании договора.

- по срокам действия выделяются:

1) постоянное водопользование - водопользование без установления срока;

2) временное водопользование, оно может быть краткосрочным - до пяти лет и долгосрочным - от пяти до сорока девяти лет. При необходимости сроки водопользования могут быть продлены.

Водоснабжение — подача поверхностных или подземных вод водопотребителям в требуемом количестве и в соответствии с целевыми показателями качества воды в водных объектах. Вода расходуется различными потребителями на самые разнообразные нужды. Однако подавляющее большинство этих расходов может быть сведено к трем основным категориям:

- расход на хозяйственно-питьевые нужды (питье, приготовление пищи, умывание, стирка, поддержание чистоты жилищ и т. д.);

- расход на производственные нужды (расход предприятиями промышленности, транспорта, энергетики, сельского хозяйства и т. д.);

- расход для пожаротушения.

 

10.2 Состав вредных веществ в водоемах и ПДК  

 

Предельно допустимой концентрацией (ПДК) вредного вещества в воде водоема считается такая, которая не оказывает вредного воздействия на организм человека при различных видах употребления воды (для питья, приготовления пищи, гигиенических целей, для отдыха), а также не нарушает биологического оптимума в водоеме.

По народнохозяйственной значимости и характеру водопользования различают две категории водоемов:

1) водоемы питьевого и культурного назначения;

2) водоемы рыбохозяйственного назначения.

Свойства и состав воды водных объектов первого типа должны соответствовать нормам в створах, расположенных в водотоках на расстоянии не менее 1 километра выше ближайшего по течению населенного пункта водопользования, а в непроточных водоемах - в радиусе не менее 1 километра от пункта водопользования. Состав и свойства воды в водоемах второго типа должны соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (при наличии течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска - не далее чем в 500 м от места выпуска.

Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу, в связи с чем их нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие данного вещества.

Установлены ПДК для более чем 400 вредных веществ в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения, а также для более 100 вредных веществ в водоемах рыбохозяйственного назначения. Значения ПДК некоторых веществ в воде водоемов приводятся в таблице 10.1. Для водоемов питьевого и культурного назначения используют три типа ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический, для водоемов рыбохозяйственного назначения - еще два вида: токсикологический и рыбохозяйственный.

 

Та б л и ц а 10.1- Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ в водоемах

Вещество	Водоемы 1 категории		Водоемы 2 категории
	ЛПВ	ПДК	ЛПВ	ПДК
Бензол	Санитарно-токсикологический	0,5	Токсикологический	0,5
Фенолы	Органолептический	0,001	Рыбохозяйственный	0,001
Бензин, керосин	Органолептический	0,1	Рыбохозяйственный	0,05
Cd2+	Санитарно-токсикологический	0,01	Токсикологический	0,005
Cu2+	Органо-лептический	1	Токсикологический	0,01
Цианиды	Санитарно-токсикологический	0,1	Токсикологический	0,05

 

Вода как источник питья и среда обитания, кроме предельных допустимых концентраций, дополнительно характеризуется следующими показателями (таб. 10.2):

- биологической потребностью в кислороде (БПК) - количеством кислорода, использованного в биогеохимических процессах окисления органических веществ (за исключением процессов нитрификации) за определенное время (2,5, 8, 10, 20 сут.) на 1 мг вещества (БПК₂ , БПК₅ и т.д.), мг;

- полной биохимической потребностью в кислороде (БПК_полн) до начала процессов нитрификации (до появления 0,01 мг/л нитратов), на 1 мг вещества, мг;

- химической потребностью в кислороде (ХПК) - количеством кислорода, эквивалентным количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, на 1 мг вещества, мг.

Для самих сточных вод ПДК не нормируется, а определяются предельно допустимые количества сброса вредных примесей - ПДС. Поэтому минимально необходимая степень очистки сточных вод перед сбросом их в водоем определяется состоянием водоема, а именно - фоновыми концентрациями вредных веществ в водоеме, расходом воды водоема и др., то есть способностью водоема к разбавлению вредных примесей.

Режим сброса может быть единовременным, периодическим, непрерывным с переменным расходом, случайным. В любом случае должны удовлетворяться требования условия:

 

                                                  С + С_ф ≤ ПДК.                                                                    (10.1)

 

При наличии результатов о нескольких оцениваемых показателях, можно рассчитать сумму приведенных концентраций параметров к ПДК (принцип суммации воздействий). При этом критерием качества воды является значение:

 

                                 ,                                                         (10.2)

 

где С_фi - фактическая концентрация i-го вещества в воде водоема.

При наличии результатов о достаточном количестве показателей можно оценить индекс загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических показателей качества для 6 основных загрязнителей воды:

 

 

                                                             ,                                                   (10.3)

 

где С_i - среднее значение определяемого показателя за период наблюдений; ПДК_i - предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества,

6 - лимитируемое число показателей, использующихся для расчета.

В качестве интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод используют классы качества воды, которые установлены в зависимости от ИЗВ (см. таблицу 10.2).

 

Та б л и ц а 10.3 - Характеристики интегральной оценки качества воды

Критерии качества поверхностных вод по величине ИЗВ

Класс качества	Характеристика качества воды	Величина ИЗВ
1	Очень чистая	£ 0,3
2	Чистая	0,31 - 1,0
3	Умеренно загрязненная	1,01 - 2,5
4	Загрязненная	2,51 – 4,0
5	Грязная	4,01 – 6,0
6	Очень грязная	6,01 – 10,0
7	Чрезвычайно грязная	> 10,0

 

Критерий изменения качества морских вод

Класс качества вод		Диапазон значений индекса загрязнения воды
Очень чистые	I	ИЗВ < 0,25
Чистые	II	0,25 < ИЗВ £ 0,75
Умеренно загрязненные	III	0,75 < ИЗВ £ 1,25
Загрязненные	IV	1,25 < ИЗВ £ 1,75
Грязные	V	1,75 < ИЗВ £ 3,00
Очень грязные	VI	3,00 < ИЗВ £ 5,00
Чрезвычайно грязные	VII	ИЗВ > 5,00

 

10.3 Методы очистки сточных вод

 

Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов (комбинированный способ). В процессе очистки предусматривают обработку осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляются до 90% нерастворимых механических примесей различной степени дисперсности (песок, глинистые частицы, окалину и др.), а из бытовых сточных вод - до 60%. Для этих целей применяют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстойники различных типов. Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, смолы, масла, жиры, полимеры и др.), задерживают нефте- и маслоловушками и другого вида уловителями либо выжигают.

Химические и физико-химические методы очистки наиболее эффективны для очистки производственных сточных вод.

К основным химическим способам относят нейтрализацию и окисление. В первом случае для нейтрализации кислот и щелочей в сточные воды вводят специальные реагенты (известь, кальцинированную соду, аммиак), во втором - различные окислители. С их помощью сточные воды освобождаются от токсичных и других компонентов.

При физико-химической очистке используются:

1) коагуляция - введение в сточные воды коагулянтов (солей аммония, железа, меди, шламовых отходов и пр.) для образования хлопьевидных осадков, которые затем легко удаляются;

2) сорбция - способность некоторых веществ (бентонитовые глины, активированный уголь, цеолиты, силикагель, торф и др.) поглощать загрязнение. Методом сорбции возможно извлечение из сточных вод ценных растворимых веществ и последующая их утилизация;

3) флотация - пропуск через сточные воды воздуха. Газовые пузырьки захватывают при движении вверх поверхностно-активные вещества, нефть, масла, другие загрязнения и образуют на поверхности воды легко удаляемый пенообразный слой.

Для очистки коммунально-бытовых стоков целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, пищевых предприятий широко используют биологический (биохимический) метод. Метод основан на способности искусственно вселяемых микроорганизмов использовать для своего развития органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах (сероводород, аммиак, нитриты, сульфиды и т. д.). Очистку ведут с помощью естественных методов (поля орошения, иловые площадки, поля фильтрации, биологические пруды и др.) и искусственных методов (аэротенки, метатенки, биофильтры, циркуляционные окислительные каналы), биологические модули и др.

После осветления сточных вод образуется осадок, который сбраживают в железобетонных резервуарах (метантенках), а затем удаляют на иловые площадки для подсушивания.

В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологизации процессов очистки сточных вод:

1) электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации;

2) мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электродиализ и др.);

3) магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц;

4) радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергнуть загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению;

5) озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы;

6) внедрение новых селективных типов сорбентов для избирательного выделения полезных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования и др.

 

11 лекция. Охрана почвы

 

Цель лекции: ознакомить с основными причинами загрязнения и истощения земельных ресурсов, а также изучить мероприятия по защите земель.

Содержание лекции: почва как природный ресурс, источники и причины загрязнения, истощения земельных ресурсов, проблемы опустынивания, мероприятия по защите земель.

 

Почва - один из важнейших компонентов окружающей природной среды. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе - почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера.

Основные виды антропогенного воздействия на почвы следующие:

1) эрозия (ветровая и водная);

2) загрязнение;

3) вторичное засоление и заболачивание;

4) опустынивание;

5) отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

Эрозия почв (от лат. erosio - разъедание) - разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.

Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром. Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы. Различают местную (повседневную) ветровую эрозию и пыльные бури. В настоящее время крупнейший источник пыли - Арал. На космических снимках видны шлейфы пыли, которые тянутся в стороны от Арала на сотни километров. Общая масса переносимой ветром пыли в районе Арала достигает 90 млн т/г. Другой крупный пылевой очаг - Черные земли Калмыкии.

Под водной эрозией понимают разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают следующие формы водной эрозии: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека. В частности, появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, разрушающей структуру почвы, - одна из причин активизации водной эрозии в последние десятилетия. Другие негативные антропогенные факторы: уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др.

Основные загрязнители почвы:

1) пестициды (ядохимикаты);

2) минеральные удобрения;

3) отходы и отбросы производства;

4) газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;

5) нефть и нефтепродукты.

Одним из глобальных проявлений деградации почв, да и всей окружающей природной среды в целом, является опустынивание - процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд га практически на всех континентах. Причины и основные факторы опустынивания различны. Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию. На территории, подверженной опустыниванию, ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, засоляются грунтовые воды, резко падает биологическая продуктивность, следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться. В докладе ЮНЕП (организация ООН по окружающей среде) подчеркивается, что опустынивание - это результат длительного исторического процесса, в ходе которого неблагоприятные явления природы и деятельность человека, усиливая друг друга, приводят к изменению характеристик природной среды.

На территории СНГ опустыниванию подвержено Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия, и их состояние продолжает ухудшаться.

В число основных звеньев экологической защиты почв входят:

1) защита почв от водной и ветровой эрозии;

2) организация севооборотов и системы обработки почв с целью повышения их плодородия;

3) мелиоративные мероприятия (борьба с заболачиванием, засолением почв и др.);

4) рекультивация нарушенного почвенного покрова;

5) защита почв от загрязнения, а полезной флоры и фауны от уничтожения;

6) предотвращение необоснованного изъятия земель из сельскохозяйственного оборота.

Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер: землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам), агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток, химические средства борьбы и т. д.), лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т. д.) и гидротехнических (каскадные пруды и т. д.).

Для борьбы с заболачиванием почв в районах достаточного или избыточного увлажнения в результате нарушения природного водного режима применяют различные осушительные мелиорации. В зависимости от причин заболачивания это может быть понижение уровня грунтовых вод с помощью закрытого дренажа, открытых каналов или водозаборных сооружений, строительство дамб, спрямление русла реки для защиты от затопления, перехват и сброс атмосферных склоновых вод и др.

Рекультивация - комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий и приведения земельных участков в безопасное состояние. Различают техническую, биологическую и строительную рекультивации.

Техническая рекультивация означает предварительную подготовку нарушенных территорий для различных видов использования. В состав работ входят: планировка поверхности, снятие, транспортировка и нанесение плодородных почв на рекультивируемые земли, формирование откосов выемок, подготовка участков для освоения и т. п.

Биологическая рекультивация проводится после технической для создания растительного покрова на подготовленных участках. С ее помощью восстанавливают продуктивность нарушенных земель, формируют зеленый ландшафт, создают условия для обитания животных, растений, микроорганизмов, укрепляют насыпные грунты, предохраняя их от водной и ветровой эрозии, создают сенокосно-пастбищные угодья и т. д. Работы по биологической рекультивации ведут на основе знания развития сукцессионных процессов.

При необходимости выполняют также строительный этап рекультивации, в ходе которого на подготовленных территориях возводят здания, сооружения и другие объекты.

Список литературы

 

          1. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов в/Д: изд-во «Феникс», 2001. – 576 с.

2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек-экономика-биота-среда. - М.: «ЮНИТИ», 2007.

3. Шилов И.А. Экология. - М.: Высшая школа, 2001.

4. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. - М.: «ФАИР-ПРЕСС», 2003.

5. Колумбаева С.Ж., Бильдебаева Р.М. Общая экология. - Алматы: «Қазақ университеті», 2006.

6. Охрана   окружающей  среды.  Под ред. С.В.Белова. - М.: Высшая школа, 1991.

7. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии: Учебник для вузов //Под ред. И.И. Мазура. - М.: Высшая школа, 1997.

8. Хандогина Е.К., Герасимова Н.А., Хандогина А.В. Экологические основы природопользования. - М.: «Форум», 2007.

9. Вернадский В.И. «Живое вещество». - М.: «Наука», 1969.

10. Доклады Министерства охраны окружающей среды РК «О состоянии природой среды РК» 2000-2007гг.

 

Содержание

1 лекция. Введение в экологию. История развития экологии 

2 лекция. Экология особи – аутэкология 

3 лекция. Экология популяций – демоэкология 

4 лекция. Экология сообществ – синэкология

5 лекция. Биосфера и ее устойчивость 

6 лекция. Концепция устойчивого развития 

7 лекция. Природные ресурсы и рациональное природопользование

8 лекция. Антропогенные воздействия на атмосферу

9 лекция. Охрана атмосферного воздуха 

10 лекция. Охрана водных ресурсов 

11 лекция. Охрана почвы 

 

Сводный план на 2013 г., поз. 247