ХОС Хохлова Воронеж

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЧЕСКУЮ ЭКОЛОГИЮ

Часть I

Химия окружающей среды

Учебное пособие

Составитель О.Н. Хохлова

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2008

Утверждено научно-методическим советом химического факультета 6 марта 2008 г., протокол № 4

Рецензент В.Н. Попов

Учебное пособие подготовлено на кафедре аналитической химии химического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 3–4 курсов химического факультета.

Для специальности: 020101 – Химия

2

		СОДЕРЖАНИЕ
	От составителя...........................................................................................		4
	Введение......................................................................................................		5
1	Экосистема – основное понятие экологии .............................................		8
2	Учение В.И. Вернадского о биосфере......................................................		12
	2.1	Строение биосферы..............................................................................	13
	2.2	Функции живого вещества в биосфере ..............................................	15
3	Основные законы экологии......................................................................		16
	3.1	Основные законы экологии Б. Коммонера ........................................	16
	3.2	Правила существования видов............................................................	17
	3.3	Реакции экосистем на внешнее воздействие .....................................	18
4	Биогеохимические циклы химических элементов................................		20
	4.1	Цикл кислорода ....................................................................................	22
	4.2	Цикл углерода.......................................................................................	24
	4.3	Цикл азота.............................................................................................	27
	4.4	Цикл серы..............................................................................................	32
	4.5	Цикл фосфора .......................................................................................	34
5	Химия атмосферы ......................................................................................		36
	5.1	Состав и строение атмосферы.............................................................	36
	5.2	Функции атмосферы ............................................................................	39
	5.3	Некоторые химические реакции, протекающие в атмосфере ..........	39
6	Химия гидросферы......................................................................................		48
	6.1	Состав гидросферы ...............................................................................	48
	6.2	Химия Мирового океана.......................................................................	50
	6.3	Химия пресных вод...............................................................................	53
7	Химия литосферы и почвы .......................................................................		56
	7.1	Строение и состав литосферы..............................................................	56
	7.2	Почва как внешний компонент литосферы.........................................	58
Заключение......................................................................................................			66
Список литературы........................................................................................			67
		3

ОТ СОСТАВИТЕЛЯ

Данная работа является первой в цикле учебных пособий под общим названием «Химическая экология». Изучение этой дисциплины студентами многопланово: на начальном этапе необходимо познание химии окружающей среды – качественного и количественного состава компонентов природной среды, естественных процессов превращения, накопления и транспорта веществ, протекающих в биосфере; на втором этапе необходимо познание антропогенного воздействия на окружающую среду – источников и результатов этого воздействия – нарушение экологической обстановки локального и глобального характера; на третьем этапе важно изучение основ мониторинга окружающей среды и методов ее охраны. Центральным моментом в этих разделах является химизм всех явлений и процессов в окружающей среде как в естественных условиях, так и под действием антропогенного фактора. Завершающим этапом изучения дисциплины является рассмотрение Человека не как источника воздействия на биосферу, а как вида, живущего в естественных условиях окружающей среды и подвергающегося воздействию неблагоприятной экологической обстановки. Каждому разделу посвящено отдельное учебное пособие.

О.Н. Хохлова

4

ВВЕДЕНИЕ

Экология (от гр. Оikos – дом, жилище, местопребывание и logos – слово, учение) – наука об отношениях организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой. Экология – это раздел биологии, изучающий взаимосвязи между организмами и их средой обитания, о круговороте веществ в природе и потоках энергии, делающих возможной саму жизнь на Земле.

Экология как наука сформировалась в середине ХIХ века, когда возникло понимание, что не только строение и развитие организмов, но и их взаимоотношения со средой обитания подчинены определенным закономерностям. Немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919), который в 1866 г. в двухтомной монографии «Общая морфология организма», дал следующее определение этой науки: «Это познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно неантагонистические и антагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование». Э. Геккель относил экологию к биологическим наукам и наукам о природе, которые изучают все стороны жизни биологических организмов.

В рамках биологии различают:

–аутоэкологию, или собственную экологию, изучающую внутривидовые взаимосвязи;

–синэкологию, которая рассматривает взаимоотношения организмов между собой (межвидовые взаимосвязи);

–демэкологию, изучающую динамику популяций.

Если в период своего возникновения экология изучала взаимоотношения организмов с окружающей средой и была составной частью биологии, то с середины ХХ века, в связи с усилившимся воздействием на природу, экология приобрела особое значение. Экология – наука об антропогенном воздействии на окружающую среду, научная основа рационального природопользования и охраны живых организмов.

Главная задача современной экологии – изучение и прогнозирование антропогенных изменений в среде обитания, обоснование и разработка методов ее сохранения и улучшения в интересах человечества.

Таким образом, говоря, например, об экологии Черного моря, можно подразумевать взаимосвязи живых организмов между собой и морской средой обитания, а можно подразумевать антропогенное воздействие (использование ресурсов моря, загрязнение и др.), его последствия, возможность избежания этих последствий (то есть охрана моря).

5

Современная экология охватывает чрезвычайно широкий круг вопросов и тесно переплетается с целым рядом смежных наук таких, как география, геология, физика, химия, генетика, математика, медицина, агрономия, архитектура. Приставка эко- появляется у многих естественных и общественных наук.

Таким образом, современная экология – комплексная наука, имеющая большое практическое значение. Не будет преувеличением утверждение о том, что от прогресса этой науки, возможно, будет зависеть само существование человека.

Оместе химической экологии в иерархии экологических наук

Врамках сочетания двух понятий «экология» и «химия», а также применимо к объектам исследования (особь, экосистема, биосфера) рассмотрим существующие научные дисциплины.

Вещества, входящие в состав организма , их структуру, распределение, превращение и функции изучает наука биохимия.

С точки зрения биологии в рамках экосистемы существует понятие химической экологии – это наука о химических взаимоотношениях живых организмов между собой и с живой и неживой природой. Предмет химической экологии – это химизм и принципы взаимодействия животных и растительных организмов между собой и неорганиче-

ской средой посредством взаимно перекрещивающегося действия раз- личных молекул.

Природные вещества в биосфере , их превращение и транспорт в естественных условиях и под воздействием антропогенного фактора изучает экологическая химия. Однако иногда особо выделяют антропогенное химическое воздействие на процессы в биосфере посредством действия любых химических веществ – продуктов деятельности человека (напри-

мер, СО2) и действия веществ не свойственных природе (например, пестициды) и называют этот раздел экологической химией, однако такое представление слишком узко.

Внастоящее время понятия «Химическая экология» и «Экологи-

ческая химия» в общественном и научном сознании отождествляются, но однозначного определения этой науки нет. Чаще всего биологическая составляющая химической экологии опускается, и под этими терминами подразумевается наука о процессах трансформации и миграции

химических соединений природного и антропогенного происхождения в

биосфере.

На рисунке 1 схематически представлены области исследования химической, биологической и экологической наук и их взаимосвязь.

6

Рис. 1. Связь химических, биологических и экологических наук

Роль химической экологии в общей системе экологических знаний и природоохранной деятельности возрастает по нескольким причинам:

1.Среди факторов, нарушающих природные равновесия, химические вещества различного происхождения имеют первостепенное значение.

2.Химические факторы более заметны и легче поддаются анализу, чем, например, изменения биологического или географического фактора.

3.Химическим методам и средствам (химической технологии) принадлежит ведущая роль в охране окружающей среды.

Задачи химической экологии как любой науки – это описание, объ-

яснение тех или иных процессов в системе и предсказание поведения системы в заданных условиях. В случае химической экологии объектом внимания является конкретная экосистема или биосфера в целом. Для этого необходимо:

1.Изучение естественных круговоротов веществ в природе и влияние на них антропогенного фактора.

2.Исследование закономерностей накопления, пространственновременного распределения и физико-химических превращений загрязнителей окружающей среды под действием различных природных факторов и антропогенного воздействия.

3.Разработка методов и средств анализа, мониторинга и защиты окружающей среды.

4.Создание научных основ для изменения старых и создания новых экологически чистых и ресурсосберегающих технологий.

5.Предсказание и предотвращение экологических кризисов на основе анализа человеческой деятельности в конкретном регионе или биосфере в целом.

7

В задачи химика-эколога, владеющего теоретическими основами экологической химии и методами анализа объектов окружающей среды, входит:

1.Выявление в результате химико-аналитического контроля конкретных действующих предприятий (технологических процессов), загрязняющих среду обитания.

2.Теоретическая оценка отрицательных последствий деятельности существующих производств и предсказание воздействия проектируемых предприятий на состояние окружающей среды.

3.Оптимизация технологических процессов с целью уменьшения вред-

ного воздействия на окружающую среду за счет:

– замены вредных веществ на менее вредные;

– изменения отдельных этапов производства на более безопасные;

– очистки от загрязняющих веществ выбросов в атмосферу, сточных вод и утилизации отходов производства.

1 ЭКОСИСТЕМА – ОСНОВНОЕ ПОНЯТИЕ ЭКОЛОГИИ

Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы), и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам.

Экосистема – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем и др.), в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом вещества и энергии. Термин «экосистема» ввел английский фитоцентолог А. Тенсли в 1935 г.

Биотическая структура экосистемы – это совокупность организмов различных категорий, пути взаимодействия их между собой и окружающей средой. Схема биотической структуры экосистемы представлена на рисунке 2. Выделяют:

Автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии Солнца. Продуценты – комплексы автотрофных организмов, обеспечивающих органическими веществами, следовательно, и энергией все остальные организмы (растения и фотосинтезирующие бактерии).

Гетеротрофы – организмы, питающиеся готовыми органическими веществами. Консументы – комплексы гетеротрофных организмов (животные, бесхлорофилльные растения).

Первичные консументы – животные, которые питаются непосредственно продуцентами (например, кролик ест морковку) – растительноядные.

Вторичные консументы – животные, которые питаются первичными консументами (лиса, питающаяся кроликом) – плотоядные.

8

Бывают консументы более высокого порядка, бывают виды животных, относящиеся к разным уровням (медведь ест малину – первичный консумент, медведь ест рыбу – вторичный консумент).

Редуценты или деструкторы – комплексы организмов, разлагающих органические соединения до минерального состояния (бактерии, грибы, простейшие – редуценты, а также организмы, которые питаются мертвыми органическими веществами – грифы, раки, муравьи – детритофаги).

Абиотическое окружение – весь комплекс неживой природы, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты обмена.

Здесь же необходимо рассмотреть пищевые цепи. В биологической структуре экосистем к числу важнейших взаимоотношений между организмами относятся пищевые. Можно проследить бесчисленные пути вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим, тот третьим и т. д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Но в экологической системе практически все пищевые цепи соединены между собой и образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений. Продуценты, первичные, вторичные и т. д. консументы и детритофаги – разные уровни этой общей сети. Эти уровни называют трофическими, что означает пищевые.

Рис. 2. Биотическая структура экосистемы

9

Таким образом, экосистема – совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:

1)экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

2)в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3)экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.

Понятие «экосистема» применяется к природным объектам различной сложности и размеров: океан или небольшой пруд, тайга или березовая роща, биосфера в целом. Более простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических.

Важным следствием иерархической организации экосистем является то, что по мере объединения компонентов в более крупные блоки, которые,

всвою очередь, объединяются в системы, у этих новых функциональных единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне.

Таким образом, устройство природы следует рассматривать как системное целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема – биосфера. В ее рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты.

В рамках экосистемы необходимо отметить влияние окружающей среды на организм, которое происходит в результате действия так назы-

ваемых экологических факторов.

Экологический фактор – любое условие среды, на которое живое реагирует приспособительными реакциями.

Иначе – экологический фактор – это любой элемент среды, оказывающий прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их развития.

По своей природе экологические факторы делят по крайней мере на три группы:

– абиотические факторы – влияния неживой природы;

– биотические факторы – влияния живой природы.

– антропогенные факторы – влияния, вызванные деятельностью человека. Нередко экологические факторы подвергают и более детальной классификации, когда надо указать на какую-то конкретную группу факторов.

10