Лекции

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Прикладной экологии

Учебно-методическое пособие

Лекции подисциплине «ЭКОЛОГИЯ»

2013 год

Лекции предназначены для инженеров, бакалавров очной, вечерней, заочной форм обучения по всем направлениям, изучающих дисциплину «Экология» и слушателей ИДПО.

Содержание

РАЗДЕЛ 1 БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК: СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ, ЭКОСИСТЕМЫ, ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ

ЛЕКЦИЯ 1

ПОНЯТИЯ: «ЭКОЛОГИЯ», «ЭКОСИСТЕМА», «МАТРЕШКА ЭКОСИСТЕМ», «ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПИРАМИДА», «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР». ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ. ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Изначально экология была разделом биологии. Биологи и экологи изучали воздействие ОС на человека, на растительный и животный мир. Выдающиеся экологи: Линней, Ламарк, Мальтус, Дарвин, Вавилов, Вернандский, Моисеев, Яблоков и др.

Роль экологии резко возросла во второй половине ХХ века, когда действия человека стали опасны для существования природы и самого человека. Сегодня знание экологии может помочь найти выход из экологического кризиса.

Определения:

1- «ЭКОЛОГИЯ» – «наука о доме», где «дом» - вся планета Земля.

2- «ЭКОЛОГИЯ» – наука, изучающая закономерности воздействия организмов (растений, животных, человека) и среды их обитания (Э.Геккель 1866г.).

3- «ЭКОЛОГИЯ» – междисциплинарная область знаний, особый способ мышления и поведения, и она изучает закономерности воздействия... (см. пред. определение). Особый способ мышления и поведения: единство всего сущего; все организмы равны и имеют одинаковое право на Землю; активная жизненная позиция, недопущение двойных стандартов.

Основные задачи экологии:

1)изучение законов функционирования и развития биосферы.

2)изучение реакции компонентов природы (атмосфера, гидросфера, литосфера, растения, животные, человек) на воздействие человека.

3)определение допустимых пределов воздействия на природу.

4)разработка программы гармоничного сосуществования человечества и природы.

Экология изучает биосферу и её компоненты – экосистемы.

Биосфера – часть оболочки земного шара, населенная живыми организмами. Её высота над поверхностью Земли – 6 км, глубина в гидросфере – 11 км, в почве – 15 км.

Определение:

«ЭКОСИСТЕМА» – любая совокупность живых организмов и условий среды (А.Тенсли, 1935 г.). (примеры: муравейник, гора, река, планета, завод, город…).

Компоненты экосистем: живая природа (растения, животные, человек) и неживая природа (атмосфера, гидросфера, литосфера).

МАТРЕШКА ЭКОСИСТЕМ: небольшие по размеру экосистемы взаимно связаны с более широкими, в составе которых они находятся. Чем «дальше» экосистемы отстоят друг от друга, тем слабее это влияние. Например, исчезновение муравейника сильно повлияет на поляну, на которой он находился, но не вызовет существенных изменений на планете в целом. «Чтобы решить что-то глобально, нужно сначала решить что-то локально».

Пример: муравейник → поле → лес → континент → планета → ...

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ

Трофическую структуру можно представить графически в виде пирамиды, основанием которой служит первый трофический уровень, а последующие образуют этажи и вершину пирамиды.

Различают три основных типа экологических пирамид - пирамиды чисел, биомассы и энергии. Пирамиды чисел и биомассы в водных системах из-за нарушения масштабов и скорости образования фито- и зоопланктонов могут быть перевернутыми. Пирамиды энергии перевернутыми не бывают.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ — это такие свойства компонентов экосистемы и ее внешней среды, которые оказывают влияние на особи данной популяции, а также на характер их отношений друг с другом и с особями других популяций.

По природе и характеру действия факторы среды подразделяются на биотические, абиотические и антропогенные.

Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми (внутрипопуляционными) и межвидовыми взаимодействиями.

Абиотические факторы – это факторы неорганической (неживой) природы: свет, температура, влажность, давление, агрегатное состояние самой среды, химический состав среды, концентрация веществ в ней. К абиотическим факторам относят такие факторы, как физические поля (гравитационное, магнитное), ионизирующая и проникающая радиация, суточные и сезонные изменения в природе.

Антропогенные факторы порождены деятельностью человека (изъятие природных ресурсов, изменение ландшафтов, загрязнение природной среды, техногенные и нетехногенные факторы). Преобладающая часть антропогенных факторов, связанная с производством, с применением техники, машин, строительства, носит название техногенных факторов. Нетехногенная часть антропогенных факторов связана с бытом и поведением человека в природе (свалки бытовых отходов, мусора, последствия «активного отдыха» и т. д.). Границы между биотическими, абиотическими и антропогенными факторами условны, и некоторые абиотические факторы имеют биогенное или техногенное происхождение (состав воздуха, качество воды, свойства почвы и т. д.).

ПРАВИЛА И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ.

1) Законы Коммонера:

Первый закон: «всё связано со всем». Все экосистемы взаимосвязаны между собой потоками вещества и энергии.

Второй закон: «всё нужно куда-то девать» (ответственность). Закон о хозяйственной деятельности человека, в которой неизбежны отходы.

Третий закон: «за всё надо платить» (рациональное природопользование). Нерациональное использование природных ресурсов приводит к большим потерям в ЭС.

Четвертый закон: «природа знает лучше». Нужно изучать природу, а не пытаться покорить её, что невозможно.

2)Закон минимума. Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических (природных) потребностей.

3)Закон ограниченности природных ресурсов (правило 1%). Все ресурсы планеты конечны, изъятие более 1% ресурсов в год приводит к нарушению самовосстановительных способностей системы.

4)Закон пирамиды энергии (правило 10%). При переходе с одного трофического уровня на другой передается 10% энергии.

5)Правило обязательного заполнения экологической ниши. Пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена.

6)Правило мягкого управления природой. «Мягкое» (опосредованное, направляющее, восстанавливающее экологический баланс) управление природными процессами способно вызвать желательные природные цепные реакции и потому социальноэкономически предпочтительнее «жесткого», техногенного управления.

ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Автотрофное питание (автономное питание) – синтез органических веществ из неживой природы (углекислого газа и воды) посредством фотосинтеза (фотоавтотрофные организмы) и хемосинтеза (хемоавтотрофы).

К фотоавтотрофам относятся все зеленые растения и некоторые бактерии (примеры автотрофов: мох, деревья, фитопланктон). В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы или сахара (СН2О)n. Главная роль в синтезе органических веществ принадлежит растительным организмам, они полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме. Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 150 млрд. т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.

Хемоавтотрофы (обитают в почве и в недрах) используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях окисления водорода, серы, сероводорода, аммиака и др., и синтезируют необходимые им органические вещества. К этой группе принадлежат нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислот.

Гетеротрофное питание (питающиеся другими) – потребление готового органического вещества. К гетеротрофам относятся все животные, грибы и большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и разрушители (деструкторы) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции

органических веществ они подразделяются на консументов, детритофагов (сапротрофов), редуцентов.

Консументы – потребители органического вещества живых организмов. Консументы – это самые разнообразные организмы: от бактерий до слонов. К ним относятся простейшие, черви, рыбы, моллюски, членистоногие, птицы, млекопитающие, в том числе и человек. Консументы делятся на ряд подгрупп в соответствии с различиями в источниках питания.

Животные, питающиеся непосредственно продуцентами (автотрофами), называются

первичными консументами (консументами 1-го порядка). К консументам первого порядка относятся растительноядные животные (кролик, корова и др.), а также паразитирующие бактерии, грибы и другие бесхлорофилльные растения, развивающиеся за счет растений (фитофаги или травоядные).

Вторичные консументы (консументы второго порядка) питаются первичными консументами. К их числу относятся хищники (лиса, волк и др.) и паразиты растительноядных организмов (росянка, пузырчатка и др.). Бывают консументы третьего и более высоких порядков, которые питаются консументами второго или третьего порядка. Консументы, питающиеся фитофагами, называются плотоядными или хищниками (волк, лиса и др.), консументы, питающиеся и продуцентами, и консументами, являются всеядными (человек, медведь и др.).

Деятельность консументов способствует превращениям и перемещениям органических веществ в экосистемах, частичной их минерализации, а также рассеянию энергии, накопленной продуцентами.

Кконсументам относятся и паразиты (клещи, ленточные черви, аскариды, вши, грибы, бактерии, вирусы и др., реже растения – заразиха, омела и др.), которые живут и развиваются внутри или на поверхности хозяина и паразитируют на его живых тканях. Хозяином может быть растение, животное, человек. Паразит обычно не убивает хозяина, а поселяется на нем (снаружи или внутри) и долго использует его для питания, снижая продолжительность жизни хозяина, его упитанность и плодовитость.

Кконсументам относятся и симбиотрофы (бактерии и грибы), которые питаются корневыми выделениями растений. Симбиотрофы играют значительную роль в функционировании экосистем. Нити грибов, опутывающие корни растений, помогают всасыванию воды и минеральных веществ. Бактерии-симбиотрофы усваивают из атмосферы азот и превращают его в доступные для растений соединения (аммиак, нитраты). Этот азот называется биологическим. К симбиотрофам относятся бактерии, одноклеточные организмы, обитающие в кишечнике человека и животных-фитофагов, они помогают переваривать им пищу.

Детритофаги (сапротрофы) – организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных (детритом). Это различные гнилостные бактерии, грибы, черви, многоножки, личинки мух, раки, крабы, шакалы и другие животные

–все они выполняют функцию очищения экосистем. Детритофаги – тоже консументы. Некоторые организмы используют в пищу как растения, так и животных и даже

детрит, они относятся к эврифагам (всеядным) – медведь, лиса, свинья, крыса, курица, ворона, таракан и др.

Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу детритофагов, доводят разложение органического вещества до неорганических соединений (минеральных) – углекислого газа, воды и др. Они возвращают в экологическую систему минеральные вещества, возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов (автотрофов). Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без редуцентов в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем прекратилась бы.

В любой экосистеме все детритофаги и редуценты выполняют одну и ту же функцию – питаются мертвым органическим веществом, разлагают его и в итоге превращают его в неорганические вещества, которые служат исходным сырьем для питания

продуцентов. Детритофаги и редуценты по типу питания выделяются в особую группу организмов – сапрофаги (питаются мертвыми органическими остатками).

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность экосистемы, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты системы, способствуя ее очищению.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ В ЭКОЛОГИИ. ПРАВИЛА ЗАГРЯЗНЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТЯЖЕСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Загрязнение – внесение в экосистему несвойственных ей химических, физических, биологических составляющих или увеличение неопасных соединений до концентраций, превышающих естественный уровень. Различают прямые и косвенные загрязнения.

Правила загрязнения:

1.Все то, что в большом количестве.

2.Все то, что в неположенном месте (интродукция видов: кролики в Австралии).

3.Все то, что в неположенное время (сезон и возраст).

4.Все то, что не существует в природе (ксенобиотики: ядохимикаты, некоторые лекарства, полимеры).

Классификация загрязнений:

1.Природные (взрыв вулкана, наводнение) и антропогенные (Чернобыль). Загрязнения каждого вида могут быть стойкими (полимеры) либо разрушаемыми природой.

2.По размеру: локальные (рядом с чем-то), региональные (в пределах РБ) и глобальные (по всей Земле: парниковый эффект).

3.По характеру загрязнения:

химические – изменения химических свойств среды, оказывающие отрицательное воздействие на экосистемы и технические устройства. Делятся на жидкие, твердые и газообразные;

физические – включают в себя механические (мусор), тепловые (парниковый эффект, сброс теплой воды в водоем), световые, шумовые (более 80 дБ), электромагнитные (линии электропередач), радиационные (флюорография, аварии на АЭС);

биологические: микробиологические (вирусы, микробы) и макробиологические (сорняки, саранча);

социально-психологические (преступность, революция, война, курение, алкоголизм).

4. Сосредоточенные (рядом с неподвижным объектом) и рассредоточенные (от автотранспорта).

5. Непрерывного (НПЗ) и периодического (транспорт) действия. Факторы, определяющие тяжесть воздействия загрязнения:

1) химическая природа вещества (активность и вредность);

2) концентрация вещества;

3) его устойчивость (продолжительность существования). Поведение двух разных загрязняющих веществ:

1) нейтрализация: А1 + Б1 = 0; 2) сложение: А2 (вредность 2) + Б2 (вредность 3) = В (вредность 5);

3) умножение, синергизм: А3 (вредность 2) + Б3 (вредность 4) = Г (вредность 100).

ЛЕКЦИЯ 2

ВИДЫ ПИЩЕВЫХ ЦЕПЕЙ. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ЭКОСИСТЕМ. ОСНОВНЫЕ БИОСФЕРНЫЕ ЦИКЛЫ. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ (ГОМЕОСТАЗ, СУКЦЕССИЯ).

ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ, СЕТИ

Трофические уровни

Совокупность организмов, которые получают фиксированную в органическом веществе энергию через одинаковое число посредников, представляет один трофический уровень.

Различают следующие трофические уровни:

-первый уровень – продуценты-автотрофы (количество посредников в потреблении энергии равно нулю). Зеленые растения (продуценты) превращают в процессе фотосинтеза световую энергию в энергию химических связей органических соединений;

-второй уровень – консументы-фитофаги - травоядные (посредником в потреблении энергии Солнца являются растения);

-третий уровень – консументы-зоофаги первого порядка – хищники или плотоядные (посредников в потреблении энергии Солнца два – растения и фитофаги);

-четвертый уровень – консументы-зоофаги второго порядка (посредников в потреблении энергии Солнца три – растения, фитофаги, консументы первого порядка).

При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов, детритофагов), третий (хищников первого порядка) и так далее значительное ее количество рассеивается и снижается ее качество. Поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой составляет 7-10%. После смерти животного, в теле которого энергия зафиксирована в энергии химических связей органических соединений, она будет использована редуцентами, и происходит полное ее рассеивание.

Классификация пищевых (трофических) цепей:

1.Наземные (например: трава – кролик – лисица; лист дерева – тля – божья коровка). В наземной экосистеме цепь замыкают крупные хищники (лиса, волк, орел).

2.Водные (например: фитопланктон – рачки-дафния – плотва – щука). В водной экосистеме солнечная энергия усваивается водорослями, ими питаются консументыфитофаги (дафния, толстолобик, ондатра), цепь замыкается крупными хищниками (щука, сом, судак).

3.Полная (применительно к сельскому хозяйству). Пример: клевер – корова –

человек.

4.Укороченная (применительно к сельскому хозяйству). Примеры: картофель – человек; яблоко – человек. Полная и укороченная пищевые цепи замыкаются человеком.

5.Детритная – в ней участвуют детритофаги, использующие мертвое органическое вещество, и редуценты (примеры: листовой опад – червь – воробей – ястреб; труп животного

-личинки мух – падальщик – травоядная лягушка – уж).

6.Сложная – действительная картина трофической структуры сложная: одно и то же растение может быть съедено разными травоядными животными (корова, овца, лось, гусеница, заяц, белка и др.), а они, в свою очередь, стать жертвами разных хищников (гусеницу может съесть насекомоядная птица, паук, жук и др.). Сложная пищевая цепь представляет собой пищевую сеть.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ЭКОСИСТЕМ

Автотрофные экосистемы, используя энергию Солнца, углекислый газ и минеральные вещества, производят различные органические вещества – древесину, листья, плоды, т.е. живую биомассу. Производительность экосистемы измеряется количеством органического вещества, которое создано за единицу времени на единице площади, и

называется биологической продуктивностью.

Общая годовая продукция сухого органического вещества на планете составляет 150-200 миллиардов тонн. В океане образуется 1/3 этой продукции, на суше – 2/3. Почти вся чистая первичная продукция планеты служит для поддержания жизни гетеротрофов. Неиспользуемая консументами энергия запасается в их телах, в органических осадках водоемов, в гумусе почвы.

Различают первичную, валовую, чистую, вторичную продукцию сообществ. Биологическая продукция измеряется количеством сухой или сырой массы

органического вещества (растений), производимого в единицу времени на единицу площади (т/га в год, г/м2 в день) или в энергетических единицах – эквивалентном числе джоулей.

Растения создают первичную продукцию, вторичная продукция сообществ (создается гетеротрофами) – прирост за единицу времени массы консументов.. Вторичную продукцию вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, так как прирост массы на каждом из них происходит за счет энергии, поступающей с предыдущего уровня. Гетеротрофы живут за счет чистой первичной продукции сообщества.

Первичная продукция подразделяется на валовую первичную продукцию – количество вещества, создаваемого растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза, то есть общая продукция фотосинтеза (расходуется на процессы жизнедеятельности, выделения, рост биомассы органического вещества), и чистую первичную продукцию – величина прироста растений (биомассы органического вещества).

При переходе с одного трофического уровня на другой, 90% энергии теряется. Поэтому количество вторичной биологической продукции в 20-50 раз меньше, чем первичной.

Продуктивность основных экосистем планеты показана в табл. 2 - 4.

Под биомассой понимают массу организма, организмов определенной группы, всего сообщества в целом или экосистемы. Под биомассой понимают всю живую органическую массу, которая содержится в экосистеме или ее элементах вне зависимости от того, за какой период она образовалась и накопилась. Различают фитомассу (массу живых растений), зоомассу, микробную массу, массу мертвого вещества. Также различают биомассу надземную, подземную, водную.

Величина биомассы экосистемы зависит не столько от продуктивности, сколько от продолжительности жизни организмов и экосистемы. Большая биомасса характерна для лесных экосистем (тропические леса – 800-1000 т/га, леса умеренной зоны – 300-400 т/га), в травянистых сообществах ее значение составляет 3-5 т/га.

Для экосистем, состоящих из однолетних организмов (поле пшеницы, клевера), годичная продуктивность и биомасса практически совпадают. Для древесных сообществ они резко различаются.

Биомасса основных экосистем России следующая: леса – 20-30, болота – 3-10, сельскохозяйственные системы –0,4-6, луга и степи – 0,1-3, озера – 0,01-0,1 кг/м2.

Продуктивность экосистем определяется лимитирующими факторами: наличием воды, питательных веществ, интенсивностью солнечной радиации, способностью системы использовать биогенные вещества и др. Биологическая продуктивность снижается при загрязнении экосистемы антропогенными и природными выбросами. Высокие скорости продукции имеют место в экосистемах при поступлении в них дополнительной энергии извне (в лесных экосистемах это ветер и дождь, в заливах – прилив, на возделываемых полях

– удобрения, полив, работа человека). Человек повышает продуктивность экосистемы, уменьшая влияние лимитирующих факторов: вносит удобрения, орошает землю, создает искусственное тепло (теплицы, парники), рационально использует почвенно-климатические условия.

По продуктивности, ЭС подразделяются на 4 группы:

экосистемы очень высокой продуктивности – свыше 2 кг/м2 в год (тропические леса, коралловые рифы, заросли тростника в дельтах Волги, Дона).

экосистемы высокой продуктивности – 1-2 кг/м2 в год (липово-дубовые леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озерах, посевы кукурузы и многолетних трав при орошении и внесении высоких доз удобрений).

экосистемы умеренной продуктивности – 0,25-1 кг/м2 в год (многие сельскохозяйственные посевы, сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера, морские луга из водорослей).

экосистемы низкой продуктивности – менее 0,25 кг/м2 в год (пустыни, тундра,

горные степи, большая часть морских экосистем).

Средняя по планете биопродуктивность составляет 0,3 кг/м2 в год.