Но каким образом законы экологии работают внутри живой природы и каковы взаимоотношения человека с природой?

Конспект лекций по курсу

" Основы общей экологии "

для студентов II - IV курсов спец. 7.091611

/Сост. В.М. Набивач. - Днепропетровск: УГХТУ, 1998. - 127 с.

Составитель: В.М. Набивач, доктор хим. наук.

Учебное издание

Конспект лекций по курсу

" Основы общей экологии"

для студентов специальности 7.091611

" Промышленная экология и охрана окружающей среды"

Редактор Тонкошкур Л.М. Корректор Гоцуцова Л.Я.

 

Подписано к печати 20.07.98.

Формат 60x84 1/16. Бумага типогр. № 2. Печать офсетная. Усл. печ. л. 5, 2.

Уч.-изд. л. 4, 98. Тираж 100 экз. Заказ №. Бесплатно.

УГХТУ

320640, Днепропетровск, 5, пр. Гагарина, 8

 

Предисловие

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов специальности 7.091611 " Промышленная экология и охрана окружающей среды", однако может быть использовано и студентами других специальностей, изучающими вопросы промышленной экологии и охраны окружающей среды. Современное производство и природопользование немыслимо без экологической оптимизации, и владеть определенной суммой знаний об устройстве и функционировании природы обязан сейчас каждый специалист, не будучи профессиональным экологом.

Курс " Основы общей экологии" преследует цели как методологического, так и специального характера. Современный инженер должен иметь достаточно ясное понимание сложных вопросов взаимодействия человеческого общества и окружающей среды. Здесь особенно важно способствовать выработке у будущего специалиста правильного научного взгляда на экологические проблемы вообще и на роль химической промышленности и неизбежной химизации народного хозяйства в этих проблемах - в частности. Взаимодействие природы и общества - совокупность тесно связанных между собой химических, физических, энергетических, информационных и других процессов. В данном учебном пособии это взаимодействие рассматривается преимущественно с позиций химии. Поэтому один из разделов пособия назван " Химия окружающей среды". Большая часть содержания остальных разделов также рассматривается сквозь призму химических наук.

Решение конкретных задач охраны окружающей среды немыслимо без знания законов существования и развития природы: в противном случае все наши усилия направляются на борьбу с последствиями, а не с причиной, породившей конфликт человека и природы. Поэтому изложение материала в пособии начинается с рассмотрения основ экологии: действие экологических факторов на организмы, динамика численности популяции, концепция экологической системы. Экосистема рассматривается как определенный уровень организации живой материи, как ее основная функциональная единица.

Рассмотрены виды антропогенного загрязнения окружающей среды и его последствия (в том числе в условиях Украины), вопросы нормирования и регламентации поступления вредных химических соединений в атмосферу, почву и воду.

Учебное издание может быть использовано для подготовки бакалавров, инженеров и магистров по охране окружающей среды.

Введение

 

По-гречески «экос» - «дом», «логос» - «наука». Экология – наука о доме, о месте жительства. Наука о доме, о доме для всех – для мыши и журавля, для червя и бабочки, для сосны, ландыша и человека. Дом этот очень большой: вся Земля.

Примерно сто пятьдесят лет назад экология возникла к ак раздел биологии. Именно биологи были первыми, кто стал изучать взаимосвязи между существами, их сообществами и той средой, где они обитают. Да и само слово «экология» придумал один из великих натуралистов XIX в. – немецкий биолог Эрнст Геккель.

С тех пор все больше ученых занимались изучением живых существ в их взаимосвязях между собой и с окружающим миром. Удалось открыть, а потом и четко сформулировать экологические принципы. Это очень важно, т.к. зная правила и законы существования природы, можно их использовать на благо человека. В частности, развивая промышленность, можно обеспечить людей всем необходимым, но вместе с тем и сохранить природу, помогая ей нести ту тяжелую ношу, имя которой – человечество.

Но каким образом законы экологии работают внутри живой природы и каковы взаимоотношения человека с природой?

Что можно и нужно, а чего нельзя и опасно делать в нашем большом доме под названием Земля? Это и есть предмет изучения науки «экология».

С одной стороны, экология – наука очень простая по замыслу и методам. С другой стороны она сложная, так как старается понять взаимоотношения между бесчисленными и находящимися в постоянном движении и развитии существами. Экология – предполагает наличие гармонии, которую не всегда можно проверить алгеброй. Но в любом случае экологический анализ базируется на четырех фундаментальных принципах. В афористичной форме их сформулировал американский эколог Барри Комонер в 1966 году. Эти принципы таковы:

-Все связано со всем;

- все должно куда-то деваться;

-ничто не дается даром;

-природа знает лучше.

Современная экология давно перестала быть только биологической наукой. В экологии удалось раскрыть законы, которые относятся не только к живой природе, но и к связям биологических, физических, химических объектов и процессов в них, с человеком и обществом. Именно эту особенность осознали государственные деятели и в 1970 г. состоялась первая экологическая конференция ООН в Стокгольме. С тех пор экология приобрела еще и политическое значение. Она стала частью мировой политики.

Экология включает в себя много самостоятельных разделов, принадлежащих к разным научным дисциплинам. Она динамично развивается.

Раскрывая связи между предметами и явлениями живой и неживой природы, между природой и человеком, экология позволяет обнаружить истинные причины происходящего. Например, уже к началу 70-х гг. XX в. выяснились очень неприятные последствия применения пестицидов – химических средств борьбы с сорняками и вредителями в сельском хозяйстве. Экологи шаг за шагом пришли к убийственному выводу: распространение пестицидов приносит гораздо большую выгоду химическим компаниям-производителям этой продукции, чем сельскому хозяйству!

Итак, о дной из серьезнейших проблем современного общества является проблема экологическая. Она возникла вследствие резко выраженного расширения сферы взаимодействия человека и природы. Научно- техническая революция ХХ века и связанные с ней масштабы производственной деятельности привели к большим позитивным изменениям в жизни человечества, но вместе с тем все четче обозначились и негативные стороны научно-технического прогресса. Они характеризуются возрастанием демографической нагрузки на природу, нарушением естественных экологических балансов в биосфере, исчезновением ряда видов животных и растений, появлением генетических аномалий.

Развитие промышленного производства и связанное с ним растущее использование природных ресурсов влияют на биогеохимический круговорот веществ в природе и на уровень ее антропогенного загрязнения.

Предмет и задачи экологии.

 

Даже выйдя в космос и научившись многие месяцы жить под водой, человек остается консервативным биологическим видом. Ему необходимы определенные эволюцией условия окружающей среды. Они называются факторами.

Факторы- это газовый состав воздуха, набор ассимилируемых с пищей питательных веществ, температура, освещенность, влажность и многое другое.

Таким образом, охрана окружающей среды это не только система ограничительных мероприятий (т.е. охранных), но и средство рационального использования природных ресурсов, черпаемых из биосферы и литосферы

 

Основные положения экологии.

2.1 Основы учения о биосфере.

Познавая себя в окружающем мире, человек создал учение о биосфере.

Абиотические факторы

 

Наша планета является объектом космического пространства и поэтому космические факторы оказывают существенное влияние на биосферу Земли и, в частности, на ее абиотические факторы.

Лучистая энергия солнца

 

В солнечном спектре 48 % энергии приходится на видимую часть излучения с длиной волны от 400 до 760 нм. и 45 % - на инфракрасную область с длиной волны от 750 нм до 0, 001 м. Около 7 % - на ультрафиолетовую область с длиной волны менее 400 нм.

Преимущественное значение для жизни на Земле имеют инфракрасные лучи, (они согревают нашу планету), а в процессах фотосинтеза важную роль играют оранжево-красные и УФ - лучи.

 

Солнечная энергия не только поглощается поверхностью Земли, но и частично ею отражается. От того какую долю солнечной энергии поглощает земная поверхность, зависит общий режим температуры и влажности на континентах. Чистый снег отражает примерно 80 – 95 % энергии солнечной радиации, загрязненный снег ‑ 40 – 50 %, черноземная почва - до 5%, а сухая светлая почва – 35‑ 45%, хвойные леса – 10‑ 15 %.

 

Освещенность и влажность

Освещенность земной поверхности, связанная с лучистой энергией Солнца, играет важнейшую роль для всего живого на нашей планете. Такую же роль играет и влажность атмосферного воздуха. Она зависит от насыщения воздуха водяными парами.

Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до 1, 5 ‑ 2 км). Там концентрируется примерно 50 % всех водяных паров. Чем выше температура, тем больше влаги в виде водяных паров может содержать воздух.

 

Обычно насыщение воздуха парами воды не достигает максимального, и разность между максимальным и реальным насыщением носит название дефицита влажности. Дефицит влажности ‑ важнейший экологический параметр. Он характеризует сразу две величины: и температуру и влажность воздуха на определенной территории. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот.

Осадки.

 

Атмосферные осадки, тесно связаны с влажностью воздуха. Они представляют собой результат конденсации водяных паров. Режим осадков предопределяет миграцию веществ в биосфере и условия существования земной флоры и фауны.

 

На земле выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны.

Максимальное количество осадков выпадает в зоне тропических лесов (до 2000 мм в год). Это гумидные зоны. А в пустынях (аридных зонах) количество осадков не превышает ‑ 0, 18 мм в год.

 

Атмосферные осадки могут быть фактором загрязнения природной среды. Классический пример - кислотные дожди. Они являются результатом смешения в атмосфере паров воды и диоксида серы с их последующей конденсацией в капли сернистой кислоты, которая и создает кислотный дождь.

 

Движение воздушных масс.

 

Ветер представляет собой движение воздушных масс. Он возникает при не одинаковом нагреве разных участков земной поверхности. Ветровые потоки - важнейший фактор переноса, рассеивания и выпадения загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от промышленных предприятий, теплоэнергетики, транспорта, вулканов и т.д. Сила и направление ветров (роза ветров) предопределяют режим загрязнения окружающей среды.

Мощные потоки воздуха, движущегося по спирали от периферии к центру носят название циклонов. Циклоны связаны с неустойчивой погодой и большим количеством осадков.

В противоположность им, антициклоны характеризуются устойчивой безветренной погодой и малым количеством осадков. При антициклонах могут возникать неблагоприятные метеорологические условия с точки зрения переноса и рассеивания примесей.

 

Массовые выбросы в атмосферу аэрозолей и пыли от промышленных предприятий могут резко изменить рассеивание солнечного излучения в атмосфере и уменьшить поступление тепла к поверхности Земли с излучением солнца.

 

Уничтожение лесов и иной растительности, создание крупных искусственных водохранилищ увеличивает отражение солнечной энергии от поверхности земли, а загрязнение пылью, например, снега и льда - наоборот, увеличивает поглощение энергии и приводит к их интенсивному таянию.

Важнейшими химическими свойствами почвы являются концентрация солей в почвенном растворе и его кислотность, оказывающая решающее влияние на активность почвенных микроорганизмов и усвоение растениями питательных веществ, которые этими микроорганизмами трансформируются в форму, доступную для растений.

Среди таких микроорганизмов важную роль выполняют нитрифицирующие бактерии, в частности, нитрозоамонас и нитробактер. В аэробной среде нитрозоамонас окисляет аммиак до солей азотистой кислоты, а нитробактер ‑ до азотной. В анаэробнных условиях идет обратный процесс – денитрификация, который связан с восстановлением солей азотной кислоты до азота.

Рельеф местности является одним из важнейших факторов, от которых зависит перенос, рассеивание и накопление вредных примесей в атмосферном воздухе. Расположенные в низинах населенные пункты подвергаются сильному застойному загрязнению, а растительность ‑ угнетению вплоть до гибели.

 

Весьма велика роль абиотических факторов водной среды, т.к. она занимает преобладающую часть биосферы Земли. Из 510 млн км² общей площади земной поверхности на Мировой океан приходится 361 млн. км² (71 %).

Океан ‑ главный приемник и накопитель солнечной энергии, т.к. вода обладает высокой теплоемкостью ( С_р= 4, 19 кДж/кг.град.).Это примерно в десять раз более высокая теплоемкость, чем у железа.

 

Водная оболочка Земли наряду с океанами включает и пресные воды, сосредоточенные в пределах суши (горные льды, реки, болота, озера), и внутренние моря. Важнейшими физическими особенностями водной среды являются:

1. Подвижность, т.е. постоянное перемещение водных масс в пространстве. Они способствуют поддержанию постоянства физических и химических характеристик водного объема.

2. Температурная стратификация, т.е. изменение температуры воды по глубине водного объекта.

3. Годовые, суточные и сезонные изменения температуры. Самыми низкими температурами воды считают -2°С, а самыми высокими 35 ‑ 37°С.

(В данном случае не имеется в виду температура геотермальных вод). В целом на Земле динамика колебаний температуры воды существенно меньше, чем воздуха.

4.Прозрачность воды, которая определяет световой режим под ее поверхностью.

5. От прозрачности (и обратной ей характеристики ‑ мутности) зависит фотосинтез зеленых и пурпурных бактерий, фитопланктона, высших водных растений, а следовательно, и накопление биомассы в пределах так называемой эвфотической ( от греч. эв - пере-, сверх-, фотос ‑ свет ) зоны, т.е. освещенной толщи воды, где процессы фотосинтеза преобладают над процессами дыхания.

Мутность обусловлена содержанием в воде взвешенных веществ, в том числе и поступающих в водные объекты с промышленными и иными стоками.

Соленость также является важным экологическим фактором. Соленость связана с содержанием в воде растворенных карбонатов, сульфатов и хлоридов. В пресных водах их содержание невелико, причем до 80 % составляют карбонаты. Воды открытого океана содержат в среднем 35 г/л солей, Черного моря ‑ 19, Каспийского ‑ около 13, Азовского ‑ 10, Балтийского ‑ 5, Мертвого – 260 г/л с преобладанием хлоридов кальция, калия, натрия и магния.

Растворенные газы и в первую очередь кислород контролируют процессы жизнедеятельности в водной среде. От их концентрации зависят фотосинтез и дыхание водных организмов.

Перерасход кислорода на дыхание водных обитателей и окисление поступающих в воду загрязняющих веществ ведет к преобладанию анаэробных процессов, т.е. к " загниванию" воды, из-за избытка в ней мертвой органики. Это явление называется эвтрофированием (от греч. эв ‑ пере-, сверх-, трофее ‑ - питаюсь).

Распространение и жизнедеятельность организмов в воде зависят от кислотности среды. Каждый вид гидробионта адаптирован (приспособлен) к определенному значению рН: одни предпочитают кислую среду, другие ‑ щелочную, третьи ‑ нейтральную. Промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки существенно меняют этот показатель, что приводит к смене одних групп водных обитателей на другие.

 

Биотические факторы

Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних видов организмов на другие.

Взаимоотношения между организмами чрезвычайно сложны и многообразны, и в целом их можно разделить на прямые и косвенные (опосредованные).

Прямые взаимоотношения связаны с непосредственным воздействием одних организмов на другие по линии питания: животные получают энергию для своей жизнедеятельности, поедая растения или других животных.

Косвенные взаимоотношения связаны с тем, что, например, растения своим присутствием изменяют режим абиотических факторов среды для животных или других растений, млекопитающих и птиц.

 

Взаимодействие между живыми организмами (преимущественно животными) классифицируют с точки зрения их взаимных реакций.

Различают гомотипические ( от греч. гомос – одинаковый ) реакции, характеризующие взаимодействия между особями или группами особей одного и того же вида, и

гетеротипические реакции ( от греч. гетерос -иной, разный ), характеризующие взаимодействия между представителями разных видов.

Среди животных существуют виды, способные питаться только одним видом пищи (монофаги), и виды, потребляющие разную пищу на более или менее ограниченном круге ее источников (узкие или широкие олигофаги), а также виды, использующие в пищу не только растительные, но и животные ткани (полифаги).

К числу полифагов принадлежат многие птицы, которые поедают как насекомых, так и семена растений, или такой известный вид, как медведь ‑ по природе своей хищник, но охотно поедающий мед и ягоды, а также Человек, являющийся всеядным млекопитающим.

 

Наиболее распространенный тип гетеротипических взаимодействий между животными ‑ хищничество, т.е. непосредственное преследование и поедание одних видов другими.

Другой тип взаимоотношений ‑ паразитизм в различных формах.

 

Из дополнительных типов взаимоотношений животных можно назвать форезию (перенос одних видов другими),

комменсализм (сотрапезничество), при котором один вид питается остатками пищи другого (типичные комменсалы крупных хищников ‑ гиены),

синойкию ‑ использование одними животными нор и гнезд других и

нейтрализм (взаимонезависимость совместно обитающих видов).

 

Все эти обстоятельства необходимо учитывать при проведении мероприятий по управлению экологическими системами и отдельными популяциями с целью использования их в своих интересах. Необходимо также учитывать и последствия, которые могут иметь место при истреблении хищников или защите растений в сельском хозяйстве.

 

Особо следует отметить роль биотических факторов почвы. В процессах ее образования и функционирования непосредственное участие принимают живые организмы. К ним в первую очередь, относятся зеленые растения, извлекающие из почвы питательные вещества и возвращающие их обратно вместе с отмирающими тканями.

Питательные вещества из почвы поступают в растения через корневые окончания в ионной форме. Корни растений извлекают из почвы соединения азота (нитраты), серы, фосфора, а также зольные элементы, в частности соли кальция, калия, магния, железа, кобальта, кремнезем и т.д.

 

Тем самым растительность создает непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к ее поверхности. В этом процессе активно участвуют и почвенные микроорганизмы. Они осуществляют основное разрушение минералов и приводят к образованию органических и минеральных кислот и щелочей, выделяют синтезированные ферменты, полисахариды, фенольные соединения и т.д., обогащающие почву органикой.

 

Закон лимитирующего фактора

 

Необходимо знать, что любой живой организм в природных условиях подвергается одновременному воздействию со стороны многих экологических факторов ‑ как биотических, так и абиотических, причем каждый фактор требуется организму в определенных количествах.

 

Один из основоположников агрохимии немецкий ученый Ю. Либих (1803 – 1873 гг.) сформулировал в 1840 г. теорию минерального питания растений. Он установил, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (т.е.факторов), которые присутствуют в достаточном количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток воды или азота не заменяют недостатка бора или железа, которые обычно присутствуют в почве в микроколичествах. В результате своих исследований Либих сформулировал " закон минимума". Согласно этому закону в почве необходимо увеличивать содержание того питательного вещества, которое в ней находится в минимальном количестве.

Закон минимума справедлив не только для растений. Например, здоровье человека определяется специфическими веществами, которые обычно присутствуют в организме в ничтожных концентрациях. Если содержание этих веществ снижается за пределы допустимого минимума, то человек должен компенсировать их недостатки специальными диетами.

 

Закон Либиха ‑ один из основополагающих законов экологии.

 

Но в начале двадцатого века американский ученый В. Шелфорд показал, что не только вещество, присутствующее в минимуме, может определять жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента также может приводить к нежелательным последствиям.

Например, избыток ртути в организме человека вызывает тяжелые функциональные расстройства, а избыток воды в почве ведет к аналогичным последствиям для растений: возможно загнивание их корней из-за анаэробных процессов, закисание почвы и т.п.

 

Животные, растения и микроорганизмы очень чувствительны к малейшим изменениям рН. Это хорошо знают специалисты, занятые биологической очисткой сточных вод: колебание кислотности сточных вод ограничивает стабильность активного ила на очистных сооружениях и снижает эффективность их " работы". Согласно В. Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке (по отношению к оптимальным требованиям организма), называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название закона " лимитирующего фактора" или " закона толерантности" Шелфорда.

Слово " толерантный" при этом переводят как устойчивый, терпимый, а толерантность квалифицируют как способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от значений, оптимальных для его жизнедеятельности.

Их изложенного и вытекает закон В. Шелфорда:

Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.

 

Закон В. Шелфорда имеет непосредственное отношение к санитарной охране окружающей среды и к санитарно-гигиеническому нормированию содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве, пищевых продуктах.

Важно запомнить, что в санитарной охране окружающей среды важны не нижние пределы устойчивости организма к вредным веществам, а именно верхние пределы (т.е. предельно допустимая концентрация или ПДК), поскольку загрязнение окружающей среды ‑ это и есть превышение устойчивости организма.

Из этого вытекает первое правило охраны окружающей среды, выраженное языком экологии. Охранять окружающую среду означает обеспечить состав и режим ее экологических факторов в пределах унаследованной толерантности живого (в первую очередь - человеческого организма ), т.е. управлять средой так, чтобы ни один ее фактор не оказался лимитирующим по отношению к организму.

 

2.4. Адаптация живых организмов к экологическим факторам

 

Живые организмы приспособлены к определенным условиям окружающей среды. Изменение ее параметров, их выход за некоторые границы подавляет жизнедеятельность живых организмов и может вызвать их гибель. Требования того или иного живого организма к факторам среды обитания обусловливают границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Иначе говоря, любой вид животного или растения способен нормально существовать только в том месте, где его " прописала" эволюция за многие тысячелетия, начиная с его предков. Каждый вид живого организма занимает в природе свою, только ему присущую экологическую нишу. Экологическая ниша - это совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, и его функциональных характеристик, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными.

Экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе и его положение относительно абиотических условий существования, таких как температура, влажность и т.д.

Экологическая система

2.5.1. Понятия и определения

 

Процесс фотосинтеза состоит в том, что в результате сложных химических реакций вода и диоксид углерода соединяются в молекулы сахаров (в частности, в молекулы глюкозы) с выделением свободного кислорода при поглощении кванта света.

Согласно второму началу термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рассеиваются.

 

Реакция фотосинтеза казалось бы идет против термодинамического градиента. Она сопровождается накоплением энергии в органическом веществе, образующемся из углекислого газа и воды. Но следует помнить, что эта реакция идет за счет преобразования энергии фотонов солнечного света в энергию химических связей органического вещества (Q) и тогда термодинамическое противоречие исчезает:

 

6СО₂ + 6Н₂О+ = C₆H₁₂0₆ + 6 О₂ + Q.

 

Схематически этот процесс представлен на рис. 2.4.

 

Таким образом, растения на нашей планете непрерывно усваивают из атмосферного воздуха огромное количество диоксида углерода. ( около 200 млрд. т в год и выделяют 145 млрд. т свободного кислорода, образуя более 100 млрд. т органической материи ).

Именно растениям мы обязаны стабильностью газового состава атмосферы и ресурсами пищи и топлива на нашей планете.

Общее количество энергии, ежегодно запасаемой растениями на Земле, оценивается величиной 20, 9 · 10²² кДж.

 

В реакции фотосинтеза углекислый газ и вода не сразу превращаются в сахар. Первичным продуктом является так называемая фосфоглицериновая кислота (ФГК). Она превращается в фосфоглицериновый альдегид при присоединении молекулы СО к рибулезодифосфату СН₂О (Р), в ходе реакции карбоксилирования.

Далее, в результате сложных химических процессов образуется фруктоза. Она является исходным материалом для образования других видов углеводов.

 

Синтез органического вещества может осуществляться и бактериями. Источником углерода для них является диоксид углерода, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода или водорода, входящего в состав сероводорода или другого неорганического вещества.

Трофические цепи и уровни

 

Живые организмы, входящие в состав биоценозов, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии.

В отличие от растений, животные не способны к реакциям фотосинтеза. Они вынуждены использовать солнечную энергию через органическое вещество, созданное фотосинтетиками. Таким образом, в биогеоценозе образуется цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим или так называемая трофическая (от греч. трофе - питаюсь ) цепь (рис. 2.5).

Поскольку растения строят свой организм без посредников, то их называют самопитающимися или автотрофами. А так как, будучи автотрофами они создают первичное органическое вещество из неорганического, то они именуются продуцентами.

Минимально продуктивны экосистемы пустынь, для которых дефицит влаги лимитирует развитие низшего трофического уровня, а также открытые воды океанов, где при избытке воды объем органических веществ сравнительно низок.

 

Продуктивность - важнейшее для человека свойство биосферы, зависящее от продуктивности слагающих ее естественных и антропогенных экологических систем.

Благодаря способности экосистемы производить биомассу человек получает необходимые ему пищевые и многие технические ресурсы.

 

Проблема обеспечения численно растущего человечества пищей - это, в сущности, проблема повышения продуктивности сельского хозяйства.

Воздействие человека на экологические системы (биогеоценозы), связанное с их разрушением или загрязнением, непосредственно ведет к прерыванию потока энергии и вещества, а значит - к снижению продуктивности.

Химия окружающей среды

Любая экологическая система как структурная часть биосферы представляет собой химическую среду обитания.

От соответствия химического состава биосферы требованиям живых организмов зависит их жизнедеятельность. На уровне экосистемы и биосферы в целом происходят непрерывные физико-химические процессы, которые именуются биогеохимическими циклами.

Деятельность человеческого общества оказалась в настоящее время мощной геологической, геофизической, геохимической силой, радикально трансформирующей физико - химию биосферы.

Большинство современных специалистов связывают эти изменения с процессами загрязнения твердой, жидкой и газообразной составляющих биосферы. Человек влияет на биогеохимические циклы не только на экосистемном, но и на биосферном а также на планетарном и околоземном космическом уровнях.

Круговорот углерода

 

Круговорот углерода, как и любого другого элемента для построения живой материи совершается по большому и малому циклам. Большой (геологический) круговорот углерода можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 3.1.

 

Рис.3.1 Большой круговорот углерода. По Р.Риклефсу, 1979.

 

Биотический круговорот углерода ( малый цикл ), является основной частью большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащий в виде СО₂ в атмосфере (его количество там составляет примерно 23, 5 х 10¹¹ т), служит " сырьем" для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней (см. рис. 2.5).

При дыхании растений и животных, а также при функционировании деструктуров (редуцентов) мертвой органики в почве СО₂, возвращается в атмосферу.

Но некоторая часть продукции фотосинтетиков не потребляется перичными консументами и не разлагается деструкторами. Она депонируется в литосфере в виде мертвой органики, переходя в ископаемое состояние. Так, залежи каменного угля или торфа ‑ это и есть депонированное органическое вещество ‑ продукт процесса фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.

В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает, сжигая это топливо, то возникает и так называемый биолого-технический круговорот углерода.

Основная масса ископаемого углерода в настоящее время аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1, 3 х 10¹⁶ т) и в кристаллических породах (1 х 10¹⁶ т). В каменном угле и в нефти запасы углерода составляют примерно 3, 4 х 10¹⁵ т. Этот углерод принимает участие в геологическом круговороте.

Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшими количествами углерода, участвующего в малом круговороте и содержащегося в растительных тканях (5 х 10¹¹ т) и в тканях животных (5 х 10⁹ т).

Вместе с тем, в результате интенсивного сжигания энергоносителей содержание С0₂ в атмосфере за последнее столетие увеличилось на 10% от его современной концентрации. В атмосфере задерживается около половины " антропогенного" диоксида углерода, а остальное количество поглощается водами мирового океана и, отчасти, живыми организмами. Считается, что наземные экосистемы ежегодно ассимилируют около 12% диоксида углерода, т.е. общее время его переноса в круговороте составляет 8 лет.

 

Круговорот азота

 

Несмотря на то, что в составе воздуха находится 78% азота, непосредственно ассимилировать его высшие организмы - продуценты, не могут. Атмосферный азот фиксируется специфической микрофлорой –клубеньковыми бактериями.. Главная роль азота заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. В целом в живых организмах содержится примерно 3% всего активного фонда азота. Растения ежегодно потребляют около 1 % имеющегося в активном фонде азота, и время его круговорота составляет примерно 100 лет. От растений – продуцентов, азотосодержащие соединения переходят к консументам, а от консументов после отщепления аминов из продуктов жизнедеятельности этих существ азот выделяется в виде аммиака и мочевины (рис. 3.2.), причем мочевина также превращается в аммиак в результате гидролиза. В дальнейшем в процессах окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитриты и нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти химические превращения происходят в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, в частности свободно живущих аэробных и анаэробных бактерий, сине-зеленых и пурпурных водорослей. Так, хемосинтетики нитрозоамонас превращают аммиак в нитриты, а нитробактер ‑ в нитраты и нитриты.

Рис.3.2. Круговорот азота по Р. Риклефсу, 1979.

 

Особенно значима в круговороте азота роль симбиотических (от греч. симбиоз ‑ сожительство) клубеньковых бактерий, локализующихся на корнях растений преимущественно семейства бобовых. Бактерии родов азотобактер или ризобиум способны путем ферментативной активности фиксировать атмосферный азот и делать его доступным корневым системам растений.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. A. достойную жизнь человека и свободное развитие человека
2. C. Благодать в действии – Божийметод оправдания человека.
3. VI. Взаимоотношения (служебные связи)
4. Writeln ('точка лежит внутри области')
5. А27. Каким типом проводимости обладают полупроводники с акцепторными примесями?
6. Абсолютизировало законы механики применительно к социальной философии философское направление: французского материализма XVIII века
7. Автор «Речи о свободе и достоинстве человека»
8. Адаптации человека на популяционно-видовом уровне
9. Административно-рыночная экономика позднего СССР и обычное право — неписаные законы
10. Акт IV. Соавтор создания человека
11. Активные компоненты подобраны таким образом, чтобы максимально тщательно воздействовать на проблемные зоны вокруг глаз и ликвидировать темные круги, припухлости и отечность.
12. Активный тип адаптации человека к своей среде обитания