- •Вопрос 1 Предмет и задачи курса экология, экология как наука
- •Природа отвечает на возрастающее антропогенное давление часто непредвиденными изменениями, создающими экологическую опасность.
- •Вопрос 2 Проблемы экологии России
- •2. Превышение допустимой антропогенной нагрузки на природную среду в России обусловлено многими факторами, среди которых наиболее существенны:
- •3. Состояние здоровья населения России ухудшается под двойным прессом неблагоприятных экономических и экологических условий. Наибольшую тревогу вызывают:
- •Вопрос 3 Экологическая система; состав, структура, перенос энергии и веществ в экосистеме
- •Вопрос 4 Антропогенное загрязнение окружающей среды Антропогенное загрязнение окружающей среды
- •Вопрос 5 Влияние электромагнитных полей и вибрации на природу и человека Электромагнитное излучение
- •Вопрос 6 Экологические кризисы и катастрофы
- •Вопрос 7 Медико-биологические проблемы, обусловленные состоянием окружающей среды
- •1. Основные показатели здоровья населения
- •2. Заболевания людей, связанные с загрязнением окружающей среды
- •Вопрос 8 Проблема исчерпаемости ресурсов. Рациональное использование природных ресурсов
- •Вопрос 9 Экологически чистое производство. Основы организации экологически чистого производства
- •Вопрос 10 Контроль за состоянием окружающей среды, методы контроля Система органов экологического управления
- •Вопрос 11 Экологический мониторинг окружающей среды, виды, цели, основные направления деятельности
- •Вопрос 12 Экологическая экспертиза, основные принципы поведения, объекты экологической экспертизы
- •Вопрос 13 Эколого-экспертный процесс
- •Вопрос 14 Экологическое аудирование, его цели и задачи
- •Вопрос 15 Экологические движения. Международные природоохранительные организации
- •Вопрос 16 Источники экологического права в рф
- •Нормативные акты министерств и ведомств.
- •Вопрос 17 Экономический механизм природопользования
- •Вопрос 18 Воздействие энергетики на окружающую среду. Нормирование качества окружающей природной среды.
- •Вопрос 19 Способы улавливания летучей зоны. Характеристики летучей зоны
- •Вопрос 20 Аппараты сухой инерционной очистки газов
- •1. Пылеосадительные камеры.
- •Вопрос 21 Мокрые золоуловители и аппараты мокрой очистки газов
- •Вопрос 22 Электрофильтры
- •Вопрос 23 Экологическая паспортизация предприятия
Вопрос 3 Экологическая система; состав, структура, перенос энергии и веществ в экосистеме
Ландшафты земного шара составляют большое разнообразие растительных группировок. Эти растительные формации (фитоценозы) тем заметнее, чем больше их биомасса, то есть совокупность веществ, созданных фотосинтезом. По общему виду различают: лес, степи, с/х. угодья, пустыни, растительность океанов и перстных вод. Если растительные группировки вместе с группировками обитающих в них животных, грибов, бактерий, то это будет совокупность, называемые БИОМАМИ (биом тундры, биом пустыни, биом тайги).
Совокупность всех организмов, составляющих биом, а также различных отношений и всех их взаимодействий со средой составляет экологическую систему. Экосистемой называются функциональная система, включающая в себя сообщества организмов и среду их обитания. В ней все члены биоценоза соединены между собой и окружающей их абиотической средой различными типами связями. Эти связи являются своеобразными каналами, по которым циркулируют массы, энергии, информации, и именно способом вещественно - энергетического обмена является основным признаком экосистемы.
Для обозначения подобных образований академика В.Н. Сукачева предложен и общепринят термин биогеоценоз (от греческих “ биос ” - жизнь, “ гео ” - земля, “ ценоз “ - общий).
Биоценоз - сложный природный комплекс живых существ на определённой протяженности земной поверхности, взаимодействующий с неорганической средой и находящийся материально - энергетической зависимости от неё. По своей сущности биогеоценоз - это динамическая уравновешенная система, сложившаяся в результате длительной и глубокой адаптации составных копанентов, в которой биохимический круговорот веществ.
Термин “экологическая системе” и “ биоценоз ” в общем случае не является синонимами. Понятие экологическая система шире, так как обозначают любую совокупность организмов и окружающей среды. В качестве экосистемы можно рассматривать, например, террариум, пилотируемый космический корабль, сооружения биохимической отчистки сточных вод и др.
Термин биогеоценоз применен только к локализованным природным образованиям на земле. Примерами биогеоценозов могут быть руд, лес, луг и т. д. Поэтому любой биогеоценоз можно назвать экосистемой, но не любую экосистему - биогеоценозом.
В экосистеме живые организмы (биотическое сообщество) взаимодействуют с неживым окружением (абиотической средой) таким образом, что поток энергии в экосистеме создан четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями.
Состав и функциональная структура экосистемы.
Каждая экосистема имеет собственное материально - энергетическое хозяйство и определённую функциональную структуру (рис. 3.8). По способу питания различают следующие группы организмов - автотрофы и гетеротрофы.
перенос вещества; перенос
энергии; сток энергии в среде
Рис 3.8
Автотрофы ( сампотические ) - организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ - диоксида углерода и воды - посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляет фотоавтотрофы - все хлорофиллоносные ( зеленые ) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисления водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа.
Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т. е. является производителями продукции - продуцентами экосистем.
Гетеротрофы ( питающиеся другими ) - организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции они также подразделяются на несколько категорий: консументы, детритофаги и редуценты.
Консументы - потребители органического вещества живых организмов. К их числу относятся:
Растительноядные животные ( фитофаги ), питающиеся живыми растениями ( тля, кузнечик, гусь, овца, олень, слон ).
Плотоядные животные ( зоофаги ), поедающие других животных.
Паразиты, живущие за счет веществ организма - хозяина.
Симбиотрофы - бактерии, грибы, простейшие, которые, питаясь соками или выделениями организм: хозяина, выполняет вместе с этим и жизненно важные для него трофические функции.
Детрофаги, или сапрофаги. - организмы, питающиеся мертвым органическим веществом - остатками растений и животных. Это гнилостные различные бактерии, грибы, черви, личинки, насекомые, жуки - копрофаги и другие животные - все они выполняют функцию очищения экосистем. Детрофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.
Редуценты - бактерии и низшие грибызавешают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порции двуокиси углерода, воды и минеральных элементов.
Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействую между собой, согласуя потоки веществ и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на самоочищение экосистемы.
О термодинамике динамических систем
Любая живая система потребляет энергию и расходует ее в виде работы и теплоты. Этот факт послужил становлению термодинамики как науки и позволил приписать организму свойства тепловой машины, подчиняющееся началам термодинамики. Первое из них представляет собой закон сохранения энергии. Приложимость его к живым системам надежно доказана, но не выявляет никакого отличия их от неживых систем. Второе начло, называемое законом энтропии, указывает, в каком направлении должны протекать естественные самопроизвольные процессы. Согласно этому закону в изолированных системах энтропия - мера необратимости превращение энергии и одновременно мера структурной упорядоченности - не может уменьшаться, она либо возрастает, либо, в крайнем случае, не изменяется. Однако при некоторых биологических процессах, например, при самосборке субклеточных структур или при эмбриональном развитии организма структурная упорядоченность возрастает. Следовательно, неупорядоченность, энтротопия уменьшается. Но организм - отрытая система. Противоречие закону энтротопии исчезает, если рассматривать в качестве единой системы организм вместе с окружающей средой. В данном случае физика должна принять экологическую модель.
Все реальные системы являются открытыми, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии. Сущность жизни и состоит в непрерывной последовательности, таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти изменения, не было бы ни жизни, ни экологической системы.
Большая часть энергии при каждом переходе теряется, переходя в тепло. Каждый вид в природе имеет свою экологическую нишу, определяющую не только его положение в пространстве, но не выполняемые функции.
Основной процесс в экосистеме.
В подавляющем большинстве экосистем осуществляется фундаментальный химический процесс, составляющий основу биотического круговорота. Из атмосферного углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза в растениях образуется органическое вещество и выделяется кислород, а в обратной реакции - окислении и распаде органических веществ - потребляется кислород и вновь образуется углекислый газ и вода.
Здесь ∆G1 - энергия солнечного света, потребленная в процессе фотосинтеза; ∆Hе - энергия окисления органических веществ ( дыхания ), в конечном счете выделение в виде теплоты. (СН2О)n - синтезируемое и распадающееся органическое вещество представлено в реакции углевода. Это может быть глюкоза (n = 6) или самое распространенное органическое вещество биосферы целлюлоза ( n > 1800 ), но в реальном процессе - множество различных органических веществ, включающих и другие химические элементы. Их окисление дает энергию для различных физиологических и биохимических процессов. Количество поглощенной и выделенной энергии в описываемой реакции равна: ∆Gi = ∆He ~ 478 кДж/моль. Общий множитель n определяет масштаб преобразований вещества и энергии в экосистеме. Прямая реакция полностью, а обратная на 80 - 90 % обеспечиваются растениями. Остальное количество органического вещества потребляется гетеротрофными организмами - животными, грибами, бактериями - и расходуется в процессе их дыхания.
Данное уравнение описывает идеальный случай для экосистемы, замкнутый по веществу, для биосферы в целом. В реальных локальных экосистемах равенство прямой и обратной реакции, как правило, нарушено из - за обмена участниками реакции ( переноса воды, газов и органики ) с другими системами. В экосистемах больших глубин, пещер, под землей, где нет света и не может осуществляться фотосинтез, органическое вещество поставляется либо местными хемоавтотрофами, либо поступает из других систем.
Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии одноправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым началом термодинамики на каждом этапе переноса и трансформации энергоносителей обязательна, происходит сток части энергии: значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.
Независимо от степени сложности экосистемы характеризуется:
видовым составом
численностью организмов
биомассой
соотношение отдельных трофических групп
интенсивность процессов продуцирования и деструкции ( разложения ) органического вещества
Вернадский В.И. считал что “биосфера - это оболочка земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба”.
Вернадский выделял в биосфере ряд разных, но геологически взаимных типов веществ:
живое вещество - совокупность тел живых организмов населяющих Землю в независимости от их систематической принадлежности, Он считал, что это самая могучая геохимическая сила планеты.
биогенное вещество - химическое соединение, возникшие в результате жизнедеятельности организмов: горючие ископаемые, известняки, те вещества, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами.
косное вещество - образуется без участия живых организмов ( изверженные горные породы и т. д. )
биокостное вещество - создается одновременно и живым организмами и процессами неорганической природы.
радиоактивные вещества.
вещество космического происхождения
Круговорот веществ в природе - это процесс превращения и перемещение веществ в природе, имеющие более или менее циклических реакций характер.
Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: геологический
( большой ), биотический ( малый ).
Большой круговорот длится сотни тысяч или млн. лет. Он заключается в том, что горные породы разрушаются, выветриваются, сносятся в океан, где образует простые напластования, т. е. крупные геотектонические изменения. Процесс опускания материков, поднятие дна, перемещение морей и океанов приводя к тому, что эти напластования снова возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.
Под биотическим круговоротом понимается поступление элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы; превращение организмов поступающих элементов новые сложные соединения и возращение их в почву, воду и атмосферу в процессе жизнедеятельности или с отмершими организмами, входящие в состав биогеоценозов.
Различают большой круг биотического обмена ( биосферный ) и малый
( биогеоценотический ). Большой круг биотического обмена - это планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения веществ, многократно входящих в не прерывно обновляющиеся экосистемы. Большой круг наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы.
Малый биотический круг развивается на основе большого, происходит на уровне экосистемы, приводит к тому, что питательные вещества, аккумулирующиеся внутри растений, расходуются на построение тела, жизненные процессы, как их самих, так и организмов консументов. Продукты распада вновь разлагаются до минимальных компонентов и вновь вовлекаются в поток веществ. Таким образом, компонент непрерывно циркулирует, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. К основным относят биогеохимические циклы кислорода, углерода , фосфора, серы и др. биогенные ( жизненно важные ) компоненты; железа, мания, кальция, натрия, калия, марганца, молибдена, цинка, меди и др. При этом часть из них исключается из биологического круговорота и с помощью биохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан. Степень вещественной замкнутости мала биотического круга весьма значительна. Например, по фосфору глобально оно составляет 90 %.
В живое вещество биосферы входит в основном кислород, углерод, азот, водород. Источником биогеохимической энергии является солнечная энергия.
Благодаря фотосинтезу около 2 000 000 лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, потом образовался озоновый экран в атмосфере, защищающий все живое от жесткого излучения.
Фотосинтез и дыхание растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Нормальные, т. е. не нарушенные биогеохимические циклы не являются замкнутыми, хотя степень обратимости идентичных циклов важных биогенных компонентов составляет 90 - 95%.
Углерод - 10-7 - 10-8 его запасов, находящихся в обращении в современной биосфере, сбрасывают биогенный циклы. За счет неполной обратимости цикла углерода накопились огромные запасы в виде известняков, битумов, угля, нефти, газов ( 1016 - 1017 тонн ).
Качественно новый этап развития биосферы наступил в современную эпоху, когда деятельность человека стала соизмерима с геологическим процессом. Результаты отрицательного человека на природу благодаря глобальным круговоротам веществ ощущается во всех уголках планеты.