0_Ecology

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЫ ТРУДА

Лекции по курсу

ЭКОЛОГИЯ

Москва 2011

Экология1 как наука

Эрнст Геккель2 определил экологию как «животное у себя дома». Экология — наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей природной средой. При этом среда обитания — это окружающая живая и неживая природа, т.е. растения, животные, микроорганизмы, воздух, вода, почва.

Экология подразделяется на 170 направлений. Одно из них — инженерная экология, связанная с проблемами защиты окружающей среды, затрагивающая всех людей и решает проблемы воздействия человека на окружающую среду, защиты от негативных проявлений воздействия человека и объединяет множество наук для исследований в этом направлении. Иными словами понятийный аппарат «инженерная экология» включает в себя термины из различных областей знания.

Биосфера — оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, охватывающая нижнюю часть биосферы (до 20 км), всю гидросферу, верхнюю часть литосферы (до 7,5 км). В биосфере живые организмы и среда обитания органически связаны друг

сдругом. Человеческое общество является одним из этапов развития жизни на Земле (т.е. одним из этапов биогенеза). Возникновение биосферы относят примерно 3,5 млрд лет назад. Она представляет собой результат взаимодействия живой и неживой природы. Понятие биосферы предложил Ж.Б. Ламарком3.

История жизни на Земле охватывает около 3,5 млрд лет и только 2,5 млн лет прошло

сначала последнего периода Кайнозойской эры, т.е. 2,5 млн лет с момента антропогена. Отличительной чертой биогенеза на современном этапе эволюции является влияние разума, вследствие чего биогенез получает новый характерный признак — ноогенез, т.е. происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу.

Ноосфера — это сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором глобального развития.

Техносфера (биотехносфера) — интегральная совокупность актов трудовой деятельности человека, в рамках которой происходит развитие всех реальных процессов, протекающих в биосфере. Техносфера является результатом техногенеза, который рассматривается как дестабилизирующий фактор в изначально равновестной биосфере.

Инженерная экология является ведущим элементом преобразования биосферы в ноосферу. Человек является биологическим видом, существование которого связано с определёнными условиями, факторами среды (фактор — это любой компонент среды, влияющий на организм растений или животных: свет, температура, влажность, состав воздуха и т.п.).

1Экология происходит от слов oikos - дом, жилище, убежище и logos - наука, учение.

2Эрнст Генрих Филипп Август Геккель (1834–1919) — немецкий естествоиспытатель и философ.

3Жан Батист Пьер Антуан де Моне Ламарк (1744–1829) — французский учёный-естествоиспытатель.

1

Экологический риск — это вероятность и масштаб неблагоприятных для экологических ресурсов последствий любых антропогенных изменений природных объектов.

Экология — наука о разных аспектах взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой и в тоже время это наука о современном развитии человека, сообществ людей и окружающей среды, включающей все остальные организмы, изучающая биотические4 механизмы регуляции и стабилизации окружающей среды, механизмы, обеспечивающие устойчивость жизни.

Традиционно экологию разграничивают на три раздела.

1.Аутэкология — экология отдельных особей или групп одного вида.

2.Популяционная экология — экология групп особей, способных к более-менее устойчивому самовоспроизводству, относительно обособленных (обычно географически) от других групп, с представителями которых потенциально возможен генетический обмен.

3.Факториальная экология — исследует влияние совокупности экологических факторов на отдельную особь.

Экосистема — любая совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Например, озеро, лес и т.п.. Микроэкосистемы: гниющий пень, домашнее растение. Мезоэкосистемы: лес, пруд, сад, поляна. Макроэкосистемы: океан, континент. Глобальная экосистема: биосфера.

Экологические факторы

•Абиотические — факторы неживой природы: климатические (температура, влажность, свет), эдофические (почвенные факторы, в которые входит вся совокупность физических и химических структур почвы), топографические (взаимное расположение слоёв почвы).

•Биотические — факторы живой среды, связанные с влиянием живых существ (связанные с питанием, с процессами жизнедеятельности).

•Антропогенные — факторы деятельности человека.

4Биотический — присущий живым организмам, произведённый или обусловленный живым существом.

2

Основные законы и принципы экологии

1.Всё связано со всем.

2.Всё должно куда-то деваться. Любая природная система может развиваться только за счёт использования энергетических и информационных возможностей окружающей её среды.

3.Природа знает лучше. Пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем ей навредить.

4.Ничто не даётся даром. Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения, и всё извлечённое в процессе человеческого труда должно быть возмещено.

Закон Шелфорда5 (закон толерантности) — закон, согласно которому лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности организма к данному фактору.

Закон лимитирующего фактора: веществом, находящимся в минимуме управляется биологическая продуктивность растений.

Биогеоценоз — однородный участок земной поверхности с определённым составом живых и костных компонентов, и динамическим взаимодействием между ними. Биогеоценоз — это комплекс живых и неживых компонентов, связанных между собой обменом вещества и энергии. Это сложная система, к живым компонентам которой относятся автотрофы6 (хемо- и фотосинтезирующие растения), гетеротрофы7/консусменты (животные, грибы, бактерии, вирусы), деструкторы8/редуценты (черви, улитки, бактерии).

Эврибионты — организмы, выдерживающие широкий диапазон условий; стенобионты — с узкой экологической валентностью9.

Консументы в биосистеме делятся по порядкам: травоядные — первый порядок, хищники — второй порядок, паразиты — третий порядок.

В биогеоцинозе осуществляется круговорот вещества и энергии. Через процессы фотосинтеза зелёные растения поддерживают баланс кислорода и углекислого газа в воздухе;

5Шелфорд Виктор Эрнст (1877–1968) — американский зоолог, специалист в области экологии, главным образом водных организмов.

6Автотрофы — живые организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических.

7Гетеротрофы — организмы, которые не способны синтезировать органические вещества из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза. Для синтеза необходимых для своей жизнедеятельности органических веществ им требуются органические вещества, произведённые другими организмами.

8Деструкторы — организмы питающиеся мертвым органическим веществом.

9Экологическая валентность — степень приспособляемости живого организма к изменениям условий среды.

3

через транспирацию (испарение) участвуют в круговороте воды; в результате отмирания организмов, либо их частей происходит биогенная10 миграция и перераспределение в почве азота, фосфора, калия, кальция и других веществ. Зелёные растения прямо или косвенно определяют состав и место размещения биогеоценоза.

Эдификаторы — вид зелёных растений с сильно выраженной средообразующей способностью (дуб, берёза). Роль в биогеоценозе других организмов (хемотрофов) менее значительна. Пример хемотрофных: грибы, бактерии. При всех превращениях идёт растрата и рассеивание в виде тепла изначально накопленной энергии.

Сапрофаги — почвенные организмы, питающиеся органическими остатками растений, разлагающие и минерализирующие эти остатки. От их деятельности зависит структура почвы, образование гумуса11.

Важный этап развития экологии — признание холистического12 подхода к изучению живых организмов и абиотической среды, необходимой для их существования. В современном понятии экология — место стыковки специалистов всех направлений: математики, физики, химии, метеорологии и других. На структуру и функционирование экосистем влияет хозяйственная деятельность человека. Таким образом, экология может быть как точной, так и гуманитарной наукой.

Цель экологии — оптимизация взаимоотношений между человеком и экосистемой. Человек считает себя свободным от давления сил, действующих в живой природе. Законы, действующие в природном сообществе, не распространяются на человека, либо играют побочную роль. Человеческое общество и живая природа рассматриваются отдельно. Считается, что законы природы не мешают (и не должны мешать) развитию человечества, а живая природа в силу своей выносливости может приспособиться к изменениям, сделанным человеком. Таков

антропоцентрический подход. При экоцентрическом подходе цель экологии — согласие с условиями природы ввиду того, что человек подчиняется её главным законам. Функции биосферы не могут быть полностью заменены или восстановлены техникой.

Зависимость человека от живой природы — ограничивающий фактор для прогресса цивилизации: при сильном изменении биосферы жизнь может прекратить своё существование.

Принцип целостности (холизм) очень важен для дальнейших рассуждений. Согласно ему, человечество должно включаться в объект изучения экологии.

10Биогенный — происходящий от живого организма, связанный с ним.

11Гумус — основное органическое вещество почвы, содержащее питательные вещества, необходимые высшим растениям.

12Холизм — идеалистическое учение, рассматривающее мир как результат творческой эволюции, направляемой нематериальным «фактором целостности».

4

Методы изучения объектов в экологии

•наблюдение;

•эксперимент;

•математическое моделирование.

Главные задачи экологии

•раскрытие места и назначения человечества, цивилизации, техносферы в биосфере; установить экологическую совместимость человека и биосферы;

•«экологизация» сознания, формирование идеологии и методологии гуманистического экоцентризма;

•всеобъемлющая диагностика состояния природы на планете, определение предела выносливости к антропогенной нагрузке;

•прогнозирование изменения биосферы и состояния окружающей среды при разных сценариях экономического и социального развития человечества;

•выбор критерия оптимизации;

•формирование стратегии поведения человеческого общества, которая приведёт масштабы и характер хозяйственной деятельности в соответствии с экологической выносливостью.

5

Антропогенная экология

Антропогенная экология — это экология человека, наука, исследующая экосистемы «человек - окружающая среда», причём рассматриваемая экосистема может носить глобальный, региональный или локальный характер. Основной предмет изучения — воздействие человека на окружающую среду, а также воздействие окружающей среды на человека.

Шварц С.С.13: «возникшая более ста лет назад экология на наших глазах становится основой поведения человека и индустриального общества в природе.»

Взаимодействие человека с окружающей средой может происходить в разных сферах деятельности:

•производственная;

•бытовая;

•военная.

Кроме экосистемы «человек - окружающая среда», нас будет интересовать функционирование локальной экосистемы «человек - производственный объект - окружающая среда».

Антропогенная экология — междисциплинарная наука, базирующаяся на комплексе «экологизированных» фундаментальных наук и прикладных дисциплин, решающая проблемы рационального взаимодействия общества и природы.

Инженерная экология — система научно обоснованных инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества.

Охрана окружающей среды — система правовых, технических норм, теоретическая основа которой — экология.

Если принять тезис «внутрипроизводственная среда и люди, работающие в ней, взаимодействуя, образуют локальные экосистемы», то рассуждения об охране окружающей среды будут справедливы для прикладных научных дисциплин «охрана труда» и «инженерная экология».

13Станислав Семёнович Шварц (1919–1976) — советский зоолог и эколог.

6

Объекты исследования экологии

•экосистемы вида «окружающая среда»;

•экосистемы вида «человек - окружающая среда»;

•экосистемы вида «человек - производственный объект - окружающая среда».

Вкачестве экосистемы «человек - производственный объект - окружающая среда» может рассматриваться любое промышленное предприятие, включающее в себя материальные, производственные и людские ресурсы, занятые в процессе производства. Для исследования должен быть применён системный подход: экосистемы принимают несколько состояний при одних и тех же начальных условиях. Проблема экологической безопасности в рамках предприятия должна анализироваться как комплексная задача обеспечения внутрипроизводственной безопасности, безвредности и защиты окружающей среды.

Охрана труда — система законодательных актов и соответствующих социальноэкономических, технических, организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранность здоровья, работоспособность человека в процессе труда.

Техника безопасности — система организационных и технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие вредных и опасных производственных факторов.

Антропогенные факторы

Эти факторы возникают в процессе деятельности человека (бытовая, производственная, военная). Систематизация информации об экосистеме «человек - производственный объект - окружающая среда», разработка технических методов и средств защиты проводится на основе обобщения понятия антропогенных производственных факторов.

В рамках рассматрифаемой экосистемы антропогенные производственные факторы, способные вызвать негативные изменения здоровья человека, занятого в производственном процессе, и антропогенные изменения окружающей среды, подверженной воздействию данного процесса.

Классификация антропогенных производственных факторов

по степени опасности

•вредные: шум, электромагнитные поля (приводят к заболеванию, снижению работоспособности);

•опасные: электрический ток, углекислый газ, высокий уровень шума (приводят к резкому ухудшению здоровья, травмам);

•особо опасные факторы (приводят к промышленным авариям, поражающие факторы для персонала, окружающей среды, предприятия).

7

Классификация антропогенных производственных факторов по природе

•физические;

•химические;

•биологические;

•психофизиологические.

Производственное загрязнение окружающей среды

•материальное;

–загрязнение атмосферы газообраными, жидкими, твёрдыми веществами;

–загрязнение гидросферы сточными водами;

–загрязнение литосферы токсичными веществами;

•энергетическое.

Вредные антропогенные производственные факторы обычно носят причинный (определённый) характер, а опасные и особо опасные — стохастический (случайный). При этом антропогенные производственные факторы являются функцией производственной ситуации и в зависимости от уровня воздействия и продолжительности могут переходить из одного класса опасности в другой.

В количественную оценку антропогенных производственных факторов входит вероятность их возникновения. Например, по ГОСТ 12.010-7614 вероятность возникновения взрыва на взрывоопасном участке в течение года не должна превышать 10−6.

Таким образом, предмет исследования инженерной экологии — взаимодействие технологических и природных процессов в системе «человек - производственный объект - окружающая среда». Общая цель — предотвращение негативных изменений состояния здоровья человека и антропогенных изменений окружающей среды.

14ГОСТ 12.010-76. Система стандартов безопасности труда. Взрывобезопасность. Общие требования.

8

Глобальные экологические проблемы

•демографическая;

•исчерпание ресурсов планеты;

•изменение климата;

•разрушение озонового слоя;

•загрязнение биосферы вредными, токсичными отходами;

•перемещение электромагнитных полюсов Земли.

Исходя из анализа совокупности воздействия антропогенных производственных факторов, общая цель в отношении экосистемы «человек - производственный объект - окружающая среда» — предотвращение негативных последствий для здоровья человека.

Влияние электроэнергетики на окружающую среду

Рост потребления электроэнергии на органическом топливе приводит к негативному влиянию на окружающую среду, поскольку в атмосферу выбрасываются миллионы тонн загрязняющих веществ, продукты жизнедеятельности, продукты ТЭК зашлаковывают всё новые и новые площади земель, водоёмы. За период с 1973 по 2005 гг. объём выбросов в атмосферу углекислого газа увеличился на 60%, при этом энергопотребление увеличилось на 75%; в 2005 г. физическая величина углекислого газа достигла 25 млрд. тонн. При этом большая часть объёма углекислого газа обусловлена сжиганием нефти (40,8%) и угля (38,4%).

Географическая структура эмиссии углекислого газа - это зеркальное отображение регионального энергопотребления. Так страны Азии сделали большой скачок в увеличении выбросов углекислого газа в атмосферу, и сегодня изменения выглядят следующим образом: 9% в 1973 году и 25% в 2010 году.

9