Экология как наука.

Экология (экос - дом, логос - знание) - наука о взаимоотношении живых организмов с неживой средой их обитания.

Термин был предложен в 1866 году немецким зоологом Эрнестом Геккелем в его труде "Общая морфология организмов".

Свое развитие экология получила во второй половине ХХ века в связи с возросшим антропогенным воздействием на окружающую среду.

В России учение о взаимоотношении живой и неживой природы ( в биосфере) было создано академиком В.И. Вернадским.

Биосфера - наружная оболочка Земли, включающая в себя область распростиранения жизни (все живые организмы и неживую среду их обитания).

Толщина биосферы - ~18км, и включает в себя всю гидросферу, слой атмосферы ~11км. и поверхностный слой литосферы (3км).

Три типа вещества в биосфере:

1.Костное (неживое)

2.Биокостное (уголь, нефть)

3.Живое (биота)

Таким образом факторы окружающей среды делятся на

1. Абиотическое (факторы неживой природы)

2. Биотические

Жизнь на земле возникла ~3 млрд лет назад из костной материи и оказывает на нее существенное воздействие.

Современный состав атмосферы, водоемы, и почвы сформировались под воздействием живых организмов.

Между живой и неживой природой происходит постоянный материальный и энергетический обмен, который создается и поддерживается космической энергией солнца (его возраст ~5 млрд. лет).

Накопление и распространение солнечной энергии на земле осуществляется посредством двух природный явлений:

1) Геохимического круговорота веществ и энергии (испарение, конденсация, нагревание и охлаждение, перемещение воздушных масс).

2) Биогеохимического круговорота, важнейшей стадией которго является процесс фотосинтеза.

Фотосинтез - nCO2 + mH2O -> Cn(H2O)m + nO2

Фотосинтез - синтез органичесмких веществ из неорганических, осуществляемый в зеленых растениях при участии пигментов хлорофила, и сопровождающийся поглощением энергии солнечного ультрафиолета и выделением молекулярного кислорода. Таким образом солнечная энергия усваивается и преобразуется в энергию новых химических связей в органическом веществе.

Жизнь возникла 3-4 млрд. лет назад из нерганических компонентов окружающей среды (аммиака , углекислого газа,с сероводорода, воды и других веществ). В результате геохимических реакций синтезировались органические вещества (аминокислоты, углеводы, спирты и другие вещества).

Мировой океан представлял собой достаточно насыщенный раствор этих веществ. В этом органическом бульоне врзникли первые примитивные формы жизни - архебактерии, которые являлись прокариотами, то есть имели безъядерные клетки.

Эти живые организмы были гетеротрофами, то есть использовали для своего питания органические вещества в среде которых они существовали.

Продолжение жизни оказалось возможным в результате возникновения в процессе эволюции живых организмов с автотропным типом питания в частности цанобактерий или синезеленых водорослей, котрые осуществляют процесс фотосинтеза, преобразовании планеты. Состав атмосферы изменился, атмосфера насытилась кислородом сформировался озоновый слой, как защитный экран от жесткого ультрафиолета, и жизнь получила возможность выйти из водной среды на сушу.

~2 млрд назад возникли в результате эволюции эукариоты, клетки которых имели ядро, с заключенной в нем генетической информацией.

В процессе эволюции таким образом сформировалось два типа питания живых организмов:

1. Автотропное - основанное на потреблении неорганических веществ. Все автотропы называются продуцентами. Различают:

1) хемоавтотрофы - синтезирующие органические вещества из неорганических с использованием энергии, выделяющейся при химических реакциях.

2)Фотоавтотрофы - синтезируют органические вещества из неорганических, используя энергию солнечного ультрафиолета 95% массы биоты составляют продуценты, в частности фотоавтотропы.

2. Гетеротрофное - несамостоятельные, основанные на потреблении органических веществ.

Гетеротрофы:

А) Консументы (потребители), которые могут быть первого порядка (то есть потребляющие органиче ское вещество растительного происхождения - фитофаги), второго порядка (зоофаги - потребляющие органическое вещество животного происхождения) и третьего порядка - паразиты.

Б) Детритофаги - поглощают органическое вещество отходов и трупов и преобразует его в новые органические вещества, являющиеся основой питательного компонента почвы - гумуса.

В) Редуценты (восстановитель) - завершают процесс преобразования органических веществ, разлогают компоненты гумуса до биогенных (нитраты, фосфаты, CO2, и др.) неорганических вчеществ, пригодных для питани продуцентов.

Составными частями биосферы являются экосистемы (термин предложен английским ученым Тенсли).

Биогеоценоз - единый природный комплекс, которым живые и костные компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии.

Классификация экосистем:

1. Макроэкосистема (голобальная)

2. Мезоэкосистема (пруд, роща)

3. Микроэкосистема (капля воды, дерево)

С развитием научнотехнического прогресса человек расширил естесственные границы биосферы. Таким образом учеными введено понятие ноосферу.

Ноосфера (сфера разума) - земное планетарное и космическое пространство, которое создается и управляется человеком.

Таким образом, ноосфера - продукт эволюции биосферы.

Активное воздействие человека на природу привело к негативным изменениям состояния окружающей среды, и возникновению ряда глобальных проблем экологии (изменение состава атмосферы и, как следствие, изменение климата планеты; загрязнение гидросферы; загрязнение литосферы и почвы; изменение биоты; проблемы, связанные с развитием транспорта; проблемы связанные с производством электроэнергии; урбанизация, рост населенных пунктов; проблемы сельского и лесного хозяйства).

Таким образом основные задачами экологии являются:

1. Разработка научных концепций охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

2. Контроль и прогнозирование изменения состояния окружа.щей среды в результате антропогенного воздействия.

3. Наблюдение за изменением состояния окружающей среды, экологический мониторинг.

Классификация систем мониторинга:

1) Глобальный мониторинг осуществляется на основе международного сотрудничества.

2) Национальный мониторинг - общегосударственные системы контроля состояния окружающей среды.

3) Региональный - в пределах региона

4) Локальный - в пределах предприятия, цеха

Классификация загрязнений окружающей среды:

1) Механичекое (мусор)

2) Химическое загрязнение

3) Физическое:

А) Световое - изменение естественной освещенности окружающей среды

Б) Шумовое - превышение уровня шума сверх жопустимых санитарных норм

В) Теловое

Г) Электромагнитное - превышение значиния электромагнитной индукции свыше 0.1 мТл

Д) Радиационное

4) Биологическое и микробиологическое - развитие вследствие создавшихся благоприятных условий попуяции каких либо растений, животных или микроорганизмов.

Экологическими стандартами качества окружающей среды является предельной допустимой концентрацией в ней загрязняющих веществ (ПДК).

ПДК - максимальное содержание вещества в окружающей среде, которая не оказвает вредного воздействия на человека и окружающую среду в целом. Измеряется в мг/м^3 для атмосферы , мг/л для воды и мг/кг для литосферы.

В зависимости от величины ПДК различают следующие классы опасности веществ:

I. Чрезвычайно опасные.

II. Высокоопасные.

III. Умеренно опасные.

IV. Малоопасные.

Разновидности ПДК:

ПДКв - максимальное содержание вещества в водоемах культурнобытового и питьевого значения, которое не оказывает прямого или косвенного негативного воздействия на человека и окружающую среду в целом.

ПДКр/к - для водоемов хозяйственного.

ПДКсс – Максимальное содержание, которое не оказывает вредного воздействия на человека при неограниченно долгом дыхание.

ПДКмр – Не оказывает вредного воздействия при дыхании в течении 20 минут.

ПДКрз – Максимальная концентрация вещества в воздухе рабочей зоны, которое не вызывает негативных изменений в организме человека при дыхании в течение рабочего дня на протяжении всего рабочего стажа.

Защита гидросферы

Гидросфера – водная оболочка земли, занимающая более семидесяти процентов поверхности земного шара. Толщина слоя океанической воды составляет 0.003% от диаметра земного шара.

Масса гидросферы – 1.4 * 10^18 тонн.

94% составляют воды мирового океана, 4% - подземные воды, 1.6% - ледниковые покровы полюсов и горные ледники, 0.4% - поверхностные воды рек, озер, болот и т.д..

На долю пресных вод приходится 2.5% от общего запаса воды на земле (причем 70% пресных вод – труднодоступные) и составляют ледниковые покровы полюсов и горные ледники.

С точки зрения экологии значение гидросферы заключается в том, что она является средой обитания многих живых организмов, а так же средой, в которой происходят процессы, связанные с поддержанием газового баланса на земле.

Огромная масса органического углерода и молекулярного кислорода производится в процессе фотосинтеза обитающим в поверхностном слое мирового океана фитопланктоном (фитос – растение, плантос - бродяга).

Таким образом различают эвфотическую зону (зону продуцирования, 200м поверхности, где происходит фотосинтез) и афотическаю (глубже 200м, где фотосинтез нефозможен).

Водопользование и водопотребление.

Водопользование - использование водоемов в качестве источников продуктов питания, зон отдыха (рекреационных зон), транспортных артерий и т.д., не сопровождающееся изъятием воды из водотока.

Водопотребление сопровождается изъятием воды из водотока и безвозвратной потерей ее или возвращением ее в виде загрязненных сточных вод.

Ежегодно из водоемов Российской Федерации забирается примерно 60 кубических километров свежей воды: 80% из них – из поверхностных источников, примерно 13% - из подземных источников и примерно 7% - морской воды.

60% потребляет промышленность, 20% - коммунально-бытовое хозяйство, 13% - сельское хозяйство, а остальное – прочие нужды.

По степени воздействия на водные экосистемы отрасли промышленности располагаются в следующем порядке:

1. Гидроэнергетика

2. Химическая

3. Невтегазодобыча

4. Сельское хозяйство И т.д..

Водные ресурсы Российской Федерации

Пресноводные водоемы Российской Федерации составляют:

• Озеры (23 миллиона гектаров)

• Водохранилища (5.5 милионов гектаров)

• Речной сток (530 000 квадратных километров)

90% речного стока течет на север в Северный Ледовитый и Тихий океаны.

Реки испытывают максимальную антропогенную нагрузку. Одной из самых загрязненных рек Российской Федерации является Река волга и реки ее бассейна. Бассейн Волги составляет примерно 10% Российской Федерации, однако здесь проживает около 40% населения Российской Федерации и производится более 20% промышленной продукции.

Загрязняющие вещества в водоемах Российской Федерации

Вещества разделим на 3 группы:

1. Органические соединения: нефть и нефтепродукты, СПАВ, жиры и масла, пестициды

Ежегодно в океан сбрасывается 5-10 миллионов тонн нефти и нефтепродуктов. 20% поверхности мирового океана покрыто нефтевой пленкой. Загрязнение нефтепродуктами приводит к гибели водных экосистем и нарушает процессы газообмена между атмосферой и гидросферой.

2. Неорганические соединения: сульфаты, хлориды, нитраты и нитриты, фосфаты и т.д.. Поступают со стоками промышленных предприятий и с атмосферными стоками. Многие из этих веществ являются биогенными веществами и вызывают эвтрофикацию водоемов.

Эвтрофикация – процесс повышения биологической продуктивности водоема вследствие увеличения содержания в нем биогенных веществ. Последствиями эвтрофикации являются возникновение зон аноксии (бескислородных зон), бактериальное загрязнение водоемов, замещение видов.

Экзогенная субсцессия

3. Металлы – железо (его оксиды), алюминий, магний, ртуть, свинец, медь, бром, серебро. Эти металлы являются протоплазменными ядами.