Семестровая работа по «Экология»

Оценить запасы углерода в биоте (биомассе живых  организмов), атмосфере, гидросфере, почве и других подсистемах (своеобразных «резервуарах» углерода) биосферы можно лишь весьма приближенно. Две основные причины не позволяют сделать такую оценку принципиально более точной:

1)   недостаток  знаний и наблюдательных данных;

2)   нарастающее  антропогенное влияние на все  элементы баланса углерода в биосфере от прямых выбросов СО₂ в атмосферу, до влияния загрязнителей на биохимические процессы субклеточного уровня.

Процессы и механизмы круговорота  углерода

СО₂ поступает в атмосферу в результате клеточного дыхания и процессов сгорания.

СО₂ в атмосфере (23,5*10¹¹ т) или в растворенном состоянии в воде, служит сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество (углеводы). Эти вещества служат углеводным питанием животным и наземным растениям.

При дыхании  организмов СО₂ возвращается в атмосферу. Когда наступает смерть, то бактерии разлагают и минерализуют трупы, в результате «почвенного дыхания» углерод остатков окисляется до углекислого газа и поступает в атмосферу. Микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся в ней остатки в органический материал гумус. Естественными источниками СО₂ также являются извержения вулканов и лесные пожары. Из-за недостатка воздуха или высокой кислотности часть углерода покидает цикл, переходит в ископаемое состояние в виде торфа, залежей каменного угля, нефти (каустобиолиты).

Каустобиолиты (от греч. кaustos - горючий, bios - жизнь, lithos - камень) – твердые горючие ископаемые органического происхождения, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных и животных организмов под воздействием физико-химических, биологических и геологических факторов. Термин «каустобиолиты» предложен Г. Потонье в 1888 г.

Поглощение  СО₂ происходит Мировым океаном, откуда часть СО₂ покидает цикл в виде отложений известняка. Благодаря этому океан способен к дальнейшему поглощению СО₂. При повышении температуры СО₂ вновь способен выделяться из океана в атмосферу.

Однако  в настоящее время человек  интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе и углерода:

1. Суммарная  биомасса всех домашних животных  уже превышает биомассу всех диких наземных животных.

2. Площади культурных растений приближаются к площади естественных биогеоценозов, многие культурные растения экосистемы по своей продуктивности значительно превосходят природные.

3. Поступление  диоксида углерода в атмосферу  в результате сжигания энергоносителей ведет к глобальному нарушению теплового баланса, «парниковому эффекту». За последнее столетие содержание СО₂ увеличилось на 10%, за 33 года содержание СО₂ возросло на 25% от первоначальной величины. По прогнозам, к середине XXI века содержание СО₂ в атмосфере удвоится.

Круговорот азота

Для круговорота  азота в элементарной наземной экосистеме характерны три основные «экологические проблемы»:

1) огромные  запасы атмосферного азота (N₂) непосредственно не могут использоваться высшими растениями - высшие растения усваивают азот в нитратной (NО ) или аммонийной (NH ) форме;

2) неорганические  соединения азота обладают высокой  растворимостью, слабо удерживаются почвой и легко вымываются за пределы почвенного профиля;

3) материнские  (почвообразующие) породы практически  не содержат азота.

Процессы  и механизмы круговорота азота

Основу круговорота  азота в экосистеме составляют четыре типа процессов: азотфиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация.

2. Сущность ПДК, ее разновидности

Предельно допустимая концентрация (далее ПДК) – утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается нормативы, которые установлены в соответствии с показателями предельно допустимого содержания химических веществ, в том числе радиоактивных, иных веществ и микроорганизмов в окружающей среде и несоблюдение которых может привести к загрязнению окружающей среды, деградации естественных экологических систем. Это максимальная концентрация вредного вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека и его потомство, а также на компоненты экосистемы и природное сообщество в целом.

Нормативы предельно допустимых вредных  воздействий, а также методы их определения, носят временный характер и могут  совершенствоваться по мере развития науки и техники с учетом международных  стандартов.

Основные экологические нормативы  качества окружающей среды и воздействия  на нее следующие:

1. предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ;

2. предельно допустимый уровень  (ПДУ) вредных физических воздействий:  радиации, шума, вибрации, магнитных  полей и др.

Величина  ПДК устанавливается законодательно. Поэтому ПДК можно считать  понятием более юридическим, чем  естественнонаучным (хотя величины ПДК  определяются на основе научных рекомендаций). И поэтому же в различных странах  принимаются свои нормативы предельно  допустимых концентраций, которые могут  отличаться друг от друга в разы и даже на порядки. Это всегда следует  иметь в виду при сопоставлении  результатов экологических исследований, выполняющихся в различных странах, в том числе сопредельных (например, когда специалисты двух соседних государств оценивают, независимо друг от друга, последствия одной техногенной  аварии, случившейся в пограничном  районе). При этом есть общие нормативы, рекомендованные Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), и рекомендуется, чтобы национальные нормативы были не менее жёсткими. А вот ужесточение национальных норм по сравнению с международными вполне допускается и даже поощряется.

Величины  токсичности и ПДК связаны  в целом обратной пропорцией. Чем  токсичнее вещество, тем ниже величина ПДК. Значения ПДК устанавливаются  не только для каждого вещества в  отдельности, но и для каждой из сред, в которых оно может содержаться. Для каждой среды применяются  свои единицы измерений: для почв – мг/кг, воды – мг/л, воздуха –  мг/м3.

Величина  ПДК устанавливается с учетом различных показателей вредности, связанных с особенностями воздействия  на организм или способами переноса (обмена между средами). В частности, для оценки величины ПДК в почвах, поскольку вещество почвы прямого  воздействия на организм человека не оказывает, используются несколько  показателей такого возможного опосредованного  воздействия:

• водно-миграционный показатель учитывает способность вещества образовывать растворимые формы, передаваться через водную среду и, соответственно, попадать в организм человека при употреблении воды;
• воздушный показатель учитывает «летучесть» вещества, способность его испаряться и переноситься по воздуху, попадая в организм человека в процессе дыхания;
• транслокационный показатель учитывает способность химического элемента накапливаться в растениях и попадать в организм человека или животных при их употреблении в пищу;
• показатель, основанный на вредности прямого попадания токсичного вещества в организм, называется санитарно-токсикологическим;
• для атмосферного воздуха и природных вод, используемых для водоснабжения, может применяться органолептический показатель, учитывающий не только токсическое воздействие, но и появление неприятных ощущений при вдыхании загрязнённого воздуха или употреблении загрязнённой воды;

В конечном счёте, за итоговый, лимитирующий показатель при установлении ПДК принимается  тот, который является наиболее жёстким. При установлении ПДК для воздушной  среды учитывается не только содержание вещества, но и время, которое человек  может без ущерба для здоровья провести в данной атмосфере. Это  обусловлено тем, что воздействие  токсичных веществ, рассеянных в  атмосфере, не является разовым, а осуществляется непрерывно в процессе дыхания. Чем  дольше человек пребывает в загрязнённой атмосфере, тем выше опасность для  его здоровья.

Для наиболее токсичных веществ значения ПДК  не устанавливаются. Это означает, что  любые, даже самые незначительные содержания их в природных средах, представляют опасность для здоровья человека. Такую высокую степень токсичности  могут иметь некоторые вещества, синтезируемые искусственно и не имеющие природных аналогов.

В последнее  время при определении ПДК  учитывается не только степень влияния  загрязнителей на здоровье человека, но и воздействие этих загрязнителей  на диких животных, растения, грибы, микроорганизмы, а также на природные  сообщества в целом. Исследования самого последнего времени привели к  выводу об отсутствии нижних безопасных порогов (а следовательно, ПДК) при  воздействии канцерогенов и ионизирующей радиации. Любое превышение ими привычных, природных фонов опасно для животных организмов хотя бы генетически, в цепи поколений. Для установления ПДК  – расчетный, когда расчетом является временно допустимая концентрация (ВДК), а затем вносятся коррективы и  экспериментальный – обоснование  ПДК проводится благодаря экспериментам  на белых мышах и крысах в специальных  учреждениях.

3. Какую реальную опасность для окружающей среды представляет хозяйственная деятельность человека?

Наибольшее  количество загрязнений антропогенного происхождения попадает в атмосферу  в результате сжигания различных  видов топлива, основу которого составляют органические вещества – нефть и  нефтепродукты, каменный и бурый  угли, горючие сланцы, газ, дрова, торф. Наиболее чистое топливо – газ, как  природный, так и получаемый при  переработке нефти. Больше всего  минеральных частиц образуется при  сжигании горючих сланцев, бурого угля и торфа. Использующие эти виды топлива  тепловые электростанции выбрасывают  в атмосферу особенно много загрязнений.

Для уменьшения концентрации вредных примесей в  приземном слое воздуха котельные  тепловых электростанций и крупных  промышленных предприятий оборудуют  высокими; до 100 – 200 и более метров, дымовыми трубами. Чем в более  высокие слои воздуха выбрасываются  загрязнения, тем ниже их концентрация в приземном слое, но на тем большую  площадь они рассеиваются. Крупные  промышленные центры создают сверхфоновую концентрацию взвешенных частиц, окислов  серы и азота, окиси углерода на десятки  километров вокруг себя, а при устойчивом ветре постоянного направления  на сотни километров.

Кроме создания концентрации загрязнений, многократно  превышающей фоновую для природных  примесей, промышленность и транспорт  выбрасывают в воздух множество  веществ, вообще не встречающихся в  природных примесях. К таким веществам  у живых организмов нет выработанных эволюцией механизмов обезвреживания или использования. Некоторые из них высокотоксичны, например многие промежуточные продукты химических производств. Постоянные выбросы производственной пыли, содержащей бактериальные белки, на некоторых биохимических производствах приводили к распространению среди живущего поблизости населения острейших аллергических заболеваний.

Десятки миллионов  двигателей внутреннего сгорания, работающих на всех видах транспорта, выбрасывают  в атмосферу огромные количества окислов азота и серы, особенно дизельные двигатели, использующие дешевое «тяжелое» топливо. Автомобильные  моторы выбрасывают также много  продуктов неполного сгорания углеводородов, многие из которых обладают высокой  канцерогенной активностью, и окиси  углерода – угарного газа. В больших  городах и вблизи автомагистралей  основной источник загрязнения приземных  слоев воздуха – автотранспорт.

Вклад сельского  хозяйства в загрязнение воздуха  относительно невелик, хотя в тех  случаях, когда не налажена переработка  отходов животноводства, в воздух попадает значительное количество летучих  органических соединений азота и  серы, которые создают устойчивый неприятный запах и небезразличны  для здоровья людей.

Антропогенное загрязнение  гидросферы

Хозяйственная деятельность человека в значительной мере связана с добычей и переработкой полезных ископаемых, химическим синтезом и использованием для этих целей, как и для удовлетворения бытовых  нужд в транспортного обслуживания промышленности и сельского хозяйства, все возрастающего количества энергии.

В промышленных процессах в огромных количествах  используется вода, причем в большинстве  случаев вода, выходящая из производственного  цикла, несет большое количество примесей. Большая часть этих примесей, попадая в природные водоемы, способна сделать воду совершенно непригодной  для жизни.

Антропогенные загрязнения вод различны по объемам  и степени вредности для человека и экосистем. Значительную часть  их составляют стоки промышленных предприятий.

С транспортом  связана значительная часть загрязнения  пресных и морских вод нефтью и нефтепродуктами. Особую опасность  представляют ядохимикаты, в изобилии применяемые в сельском хозяйстве  для защиты растений. Распыленные  на больших площадях, эти вещества попадают на почву, смываются дождевыми  водами и проникают в подземные  водоносные горизонты, в реки и озера, нанося большой вред состоянию экосистем  и здоровью людей.

Еще одна категория  весьма опасных загрязнителей вод  и почв – тяжелые металлы. Фоновое  содержание их в природной среде  настолько мало, что большинство  таких элементов обнаруживается лишь в следовых количествах или  вообще не обнаруживаются самыми чувствительными  современными методами. Антропогенные  источники опасного повышения содержания тяжелых металлов в почвах и природных  водах весьма разнообразны. Это, конечно, прежде всего – промышленное производство, в стоках которого часто содержатся соли тяжелых металлов в недопустимо  высоких концентрациях.