Распределение водорослей по экологическим градиентам, устанавливаемым по высшей растительности

Введение

1. Экологические факторы, влияющие на природные экосистемы

1.1 Влияние промышленных предприятий на окружающую природную среду

1.2 Влияние промышленных предприятий на высшие растения

1.3 Основные факторы, влияющие на распространение и развитие водорослей

2. Характеристика Белорецкого района

2.1 История возникновения и развития Белорецкого металлургического комбината

2.2 Утилизация отходов производства на Белорецком металлургическом комбинате

2.3 Загрязнение окружающей среды отходами БМК

3. Задачи, материалы и методы исследования

3.1 Цели и задачи эксперимента

3.2 Методы исследования почвенных водорослей

3.2.1 Методика отбора проб почв для качественного анализа почвенных водорослей

3.2.2 Методика изучения видового состава водорослей

3.3 Методика изучения растительности

3.4 Методика экспериментальной работы с экологическими шкалами

4. Экспериментальная часть

4.1 Таксономический и экологический состав альгоценозов исследованных участков

4.2 Распределение водорослей в зависимости от градиентов, устанавливаемых по высшей растительности Выводы Литература Приложение Введение Закон толерантности Шелфорда гласит: «Само присутствие и процветание организма в данном местообитании зависит от целого комплекса условий. Отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом». Другая формулировка этого закона: «Организмы характеризуются экологическим минимумом и экологическим максимумом; диапазон же между этими двумя величинами составляет то, что принято называть пределами толерантности» (Одум, 1986).

Пределы толерантности, или пределы выносливости, естественно, различны у разных видов (в принципе и у разных индивидов), но также, естественно, разнообразие этих пределов не может быть беспредельным. Вполне возможны и закономерно существуют классификации видов по сходству положений их пределов толерантности, или выносливости.

Объединения видов со сходными характеристиками толерантности в отношении тех или иных факторов получили название экоморф, так как близость пределов выносливости отнюдь не обязательно сопровождается морфологическим сходством.

С точки зрения фитоиндикации особенно важно знать именно пределы толерантности. Систематизация типов толерантности видов к режимам прямодействующих факторов — основа основ всех фитоиндикационных построений. Система экоморф по отношению видов к режимам основных прямодействующих факторов была предложена Бельгардом, где он пытался сгруппировать виды по усредненным характеристикам их экологической приуроченности: ксерофиты, мезофиты, олиготрофы, мезотрофы, эвтрофы, гелиофиты, сциофиты и другие, используя терминологию, предложенную еще Декандолем (Каплин, 2001).

В этой и подобной ей системах, начало которых восходит к временам Гумбольдта и Декандоля, еще нет даже попытки учесть амплитуды выносливости видов — характеристики видам даются однозначно.

Разработанные в 30—50-х годах шкалы режимов основных прямодействующих факторов позволили разработать систему экоморф, основанную на учете полных экологических амплитуд видов (Цыганов, 1983). Система экоморф разработана как совокупность пофакторных систем частных экоморф. Даются формулы определения количества различимых экоморф в зависимости от числа различаемых градаций фактора, понимаемых как основные, или элементарные, типы его режимов.

Только что изложенная система экоморф оказалась весьма информативной и позволяющей делать далеко идущие выводы качественного и количественного порядка о связи видов растений со средой, о потенциальных возможностях формирования растительного покрова территорий с определенным сочетанием режимов прямодействующих факторов.

Очевидно, далеко не однозначно для организма, находится он при режиме какого-либо фактора, близком к минимуму или близком к максимуму, хотя за пределами и того и другого существование его равно невозможно. По-видимому, при недостатке каких-либо благ: тепла, влаги, света, солей и т. д. — имеет место состояние голода, характеризующееся в пределах переносимого организмом, главным образом, замедлением роста и развития, без существенных нарушений присущего виду характера обмена веществ, тогда как при избытке каких-либо благ имеет место уже состояние отравления, характеризующееся в первую очередь именно нарушением обмена веществ, тогда как замедления роста и развития может какое-то время и не наблюдаться, если степень отравления не слишком велика, и даже, наоборот, какое-то время может наблюдаться гипертрофированное ускорение роста и развития, но всегда имеет место ослабление сопротивляемости организма неблагоприятным воздействиям и, как неминуемое следствие этого, сокращение срока жизни.

Большое влияние на растения оказывает деятельность человека.

Современная действительность такова, что загрязнение окружающей среды отходами промышленного производства приобрело угрожающий характер. Особенно это актуально для республики Башкортостан, где сосредоточен мощный производственный потенциал.

В республике Башкортостан одним из ведущих предприятий горнометаллургической промышленности является Белорецкий Металлургический комбинат. Естественно, что деятельность такого крупного промышленного предприятия не проходит бесследно для окружающей природной среды.

Все вышеизложенное относится, в основном, к высшим растениям. Однако, с 1976 года (Штина, Голлербах, 1976; Алексахина, Штина, 1984; Кузяхметов, Дубовик, 2001) водоросли, обитающие в почве, также подразделяются на экобиоморфы (жизненные формы). До сих пор отсутствовали сведения о распределении водорослей в почве в зависимости от экологических градиентов, устанавливаемых по высшей растительности, в связи с чем тема данной дипломной работы представляется чрезвычайно актуальной.

1. Экологические факторы, влияющие на природные экосистемы

1.1 Влияние промышленных предприятий на окружающую природную среду В настоящее время проблема антропогенного загрязнения окружающей природной среды стоит очень остро. Интенсивное промышленное и сельскохозяйственное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения биохимических циклов и содержания большинства химических элементов в почве, в том числе тяжелых металлов. Высокие концентрации тяжелых металлов вызывают существенные изменения функционирования экосистем и их компонентов.

Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды значительно возрастает в промышленных центрах, где оно приводит к различным нарушениям в составе городских экосистем (Большаков и др., 2005).

Антропогенное загрязнение окружающей природной среды в городах вызывает различные нарушения в функционировании экосистем и их компонентов. Высокие концентрации различных токсикантов, в том числе тяжелых металлов, пагубно влияют на биоту, вызывая различные нарушения в микробо-, фитои зооценозах.

Фитоценозы в городах выполняют огромную санитарно-гигиеническую функцию, повышая устойчивость экосистем в условиях высокого антропогенного загрязнения (Коробкин, Передельский, 2005.)

Микробные сообщества, являясь редуцентами экосистем, выполняют огромную роль в деструкции органического вещества почв, переводя его в доступные для продуцентов элементы питания, тем самым, замыкая круговорот веществ. Высокие концентрации загрязняющих веществ вызывают различные изменения микробиологических и биохимических показателей почв. Так, в результате антропогенного загрязнения наблюдается уменьшение общей численности, сужение видового разнообразия микроорганизмов, падение интенсивности основных микробиологических процессов и активности почвенных ферментов, появление фитотоксичных форм и т. д. (Важенин, 1992; Колесников, 1998).

Среди химических загрязнителей городской среды наиболее опасными являются тяжелые металлы. Источники эмиссии данных токсикантов и пути проникновения в окружающую среду довольно разнообразны. Существует как природные, так и антропогенные источники их поступления.

Одним из основных антропогенных источников загрязнения окружающей природной среды тяжелыми металлами (ТМ) является черная и цветная металлургия, тепловые электростанции, химическая промышленность.

Концентрации металлов в промышленных районах вблизи мощных источников выбросов увеличивается в сотни и тысячи раз сравнительно с фоновыми. Так загрязнение почв максимально в радиусе 2−5 км от металлургических комбинатов, в 1−2 км от ТЭС. (Вронский, 2001).

Многие авторы (Ковда, 1985; Колесников, 1998; Чистяков, 1988; Помазкина и др., 2000; Лозановская и др., 2003) отмечают возможность загрязнения почв при орошении водами с повышенным содержанием тяжелых металлов и внесение осадков сточных вод.

Одним из источников сильного антропогенного влияния — прямого или косвенного — на почву является загрязнение среды промышленными отходами.

Это обусловило необходимость глубокого анализа взаимодействий почвы и отдельных ее компонентов с разнообразными экологическими факторами. Экологический подход к изучению почвы как живого природного тела является одним из принципов генетического почвоведения и берет начало в трудах В. В. Докучаева, В. И. Вернадского, С. Н. Виноградского, В. Н. Сукачева.

Между тем водоросли составляют постоянную и активную часть почвенной микрофлоры, связанную сложными взаимодействиями со всеми ее компонентами, и принимают разнообразное участие в почвенных процессах (Голлербах, Штина, 1969).

Изучение экологии почвенных водорослей представляет особый интерес и для почвенной биологии, и для экологии в широком смысле слова. Во-первых, водоросли — единственная группа почвенных микроорганизмов, которой свойственно фототрофное питание и вместе с тем способность к быстрому размножению. Их поселением часто начинается формирование растительного покрова, и такие случаи могут служить моделью развития биогеоценозов. Во-вторых, водоросли, живущие в почве и на ее поверхности, обладают поразительной пластичностью биологии и физиологических свойств, высокой стойкостью против экстремальных условий. Это делает их удобными объектами для изучения механизмов устойчивости организмов. Вместе с тем почвенные водоросли исследуются как перспективные объекты для заселения пространств, включая внеземные, не пригодных для жизни высших растений. Наконец, вследствие простоты культивирования и скорости роста водоросли, в том числе почвенные, издавна являются тест-объектами для исследования многих физиологических процессов растений, в частности фотосинтеза, дыхания и азотфиксации. Точно так же они стали модельными организмами при решении многих вопросов аутэкологии зеленых растений. Очевидно, почвенные водоросли могут быть удобными биоиндикаторами при рассмотрении комплексных вопросов экологии почвы и при оценке ее состояния (Шарипова, 2004).

В связи с увеличивающимся объемом вводимых в строй промышленных предприятий, с возрастающим количеством вовлекаемых в технологические процессы различных металлов, а также несовершенством используемых технологий производств, все более актуальной становится проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, представляющими особую опасность.

Тяжелые металлы отличаются от других загрязнителей своей практически абсолютной долговечностью. Таким образом, если начальная фаза или химическое состояние, в котором они присутствуют, являются нетоксичными, далее, в определенных условиях, они преобразуются в токсические химические формы. Мониторинг содержания тяжелых металлов и изучение механизмов воздействия их на отдельные группы живых организмов имеют большую практическую значимость (Кабиров, 2004).

Одним из приоритетных направлений в этих исследованиях являются экспериментальные работы с группой низших растений — водорослями. Это вполне объяснимо, поскольку водоросли — продуценты и, следовательно, входят в состав первых звеньев экологических цепей питания. Кроме того, водоросли значительно изменяют физико-химические свойства среды, оказывают влияние на рост и развитие различных групп живых организмов через выделяемые ими метаболиты: витамины, ауксины, внеклеточные ферменты (Вассери др., 1989). Поэтому реакция водорослей на присутствие в среде ТМ представляется необходимой информацией.

Высокая чувствительность водорослей к действию ТМ известна давно. Изучения этого вопроса в нашей стране началось, вероятно, с исследований К. А. Гусевой, направленных на рассмотрение воздействия марганца и меди на пресноводные водоросли, и работы П. А. Герасимова по влиянию сернокислой меди на водоросли группы Protococcales (Минибаеви и др., 1996).

В литературе есть данные о защитной роли слизи для почвенных водорослей в условиях повышенного содержания ТМ в среде. Например, у хламидомонад, выдерживающих высокие концентрации данного вида токсикантов, обнаружено образование обильной слизи (Штина, Некрасова 2001).

Присутствие в среде ТМ, помимо подавления роста, вызывает изменения окраски синезеленых водорослей на светло-желтую, полное обесцвечивание зеленых водорослей, изменение морфологии клеток, интенсивное развитие слизи у зеленых и синезеленых, появление газовых вакуолей у синезеленых водорослей (Кабиров, 1990). Обнаружено ингибирование замедленной флуоресценции, скорости фото-индуцированного выделения кислорода и продуктивности фотосинтеза, происходят сдвиги в составе пигментного комплекса, изменяется соотношение хлорофиллов и каротиноидов, проницаемость клеточных мембран (Баринова и др., 2006). У диатомовых водорослей и динофлагелят появлялась грануляция цитоплазмы, отмечалось разрушение хлоропластов, блокировался кремниевый обмен. Разрушение хлоропластов установлено не только у диатомовых, но и у зеленых водорослей. У синезеленых наиболее заметными ультраструктурными изменениями являлись слипание цианофициновых гранул и деградация тиллакоидов (Кабиров, 2001).

В последние годы одним из мощных факторов деградации почв в РБ стало техногенное загрязнение. Почвенный покров — поглотитель практически всех химических веществ, обладает значительной способностью к снижению токсического действия различных соединений за счет буферных свойств. Однако буферная емкость почвы не бесконечна, она может необратимо деградировать, вызывая тем самым изменения в почвенной биоте (Ханисламова и др., 1990).

Основными источниками загрязнения почв в республике являются нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие предприятия, где практически во всех технологических процессах используют поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Загрязнение почв поверхностно-активными веществами не столь заметно и носит пролангированный характер, несомненно, оно оказывает серьезное воздействие на сообщество почвенных диатомовых водорослей. (Фазлутдинова, 2004).

Нефть и нефтепродукты — одни из самых распространенных техногенных загрязнителей, попадающих в почву. С развитием нефтедобывающей промышленности возрастает ущерб, который наносится окружающей среде аварийными разливами нефти. Это не может не отразиться на состоянии почвенной биоты, важным компонентом которой являются водоросли.

Наиболее чувствительными к загрязнению нефтью и нефтепродуктами являются желто-зеленые водоросли, которые можно рассматривать как показатели чистоты и «здоровья» почвы. Диатомовые водоросли также очень чувствительны к этим загрязнениям. Поэтому восстановление видового разнообразия желтозеленых и диатомовых водорослей может служить показателем детоксикации почвы после загрязнения нефтью. С увеличением степени загрязнения наблюдалось уменьшение видового разнообразия, изменения спектра экобиоморф, общего обилия, ИПР, числа видов в пробе (Дубовик, Закирова, 2006).

К числу крупных промышленных центров РБ с преобладанием нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и машиностроительных отраслей индустрии относится г. Уфа. Среди важнейших компонентов окружающей среды города почвенно-растительный покров занимает особое место. В целом экологическое состояние земельных ресурсов города определяется наличием крупных промышленных предприятий, количеством населения, почвенно-климатическими и другими условиями (Минизазямови др., 1994).

Застройка и насыщение промышленными предприятиями привели к снижению содержания гумуса от 3 до 30 раз, аммонийного азота в 5−6 раз.

Дымовые газы вносят в почву сернистые кислоты и серную кислоту, которые с воздухом и водой проникают в поры и соединяются с основными элементами почвы, образуя труднорастворимые сульфаты. В результате сокращается запас питательных веществ при одновременном увеличении кислотности. Из пылевидных вредных веществ особое положение занимают вещества, содержащие тяжелые металлы (мышьяк, свинец, цинк, медь), которые, как правило, действуют непосредственно на наземные части растений и корневую систему.

Загрязнение тяжелыми металлами является одной из характерных особенностей урбанизированной природной среды г. Уфы. Основная масса ТМ аккумулируется в почве и пылевых массах. (Пожидаева, Савинкова, 2001).

Сопоставление показателя токсичности различных образцов почв с суммарным содержанием токсичных ТМ (медь, цинк, свинец, кадмий) в почве свидетельствует о наличии взаимосвязи между ними. Установлено, что почва приобретает токсичные свойства при концентрации ТМ более 200 мг/кг (Минигазямов и др., 1994).

В настоящее время загрязнение почв тяжелыми металлами приняло глобальный характер. Поступая в почву в больших количествах, ТМ в первую очередь влияют на биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т. д. Кроме того, ТМ способны изменять и более консервативные признаки почв, такие как гумусное состояние, структура, рН и др.

Учитывая то, что почва является экологическим узлом связей биосферы, обеспечивает сопряжение биологического и геологического круговоротов, нарушение микробиологических и биохимических процессов в ней неизбежно отражается на функционировании экосистемы в целом. Это выражается в падении продуктивности сообществ, снижении скорости микробной деградации органического вещества и т. д. В отдельных случаях значительные территории превращаются в техногенную пустыню.

Небольшие концентрации ТМ могут стимулировать развитие тех или иных микроорганизмов. При увеличении концентрации ТМ начинает проявляться их токсическое действие, которое заключается в ингибировании их метаболизма.

Наиболее чувствительными к загрязнению почвы ТМ являются бактерии (особенно спорообразующие), в меньшей степени актиномицеты и наименее чувствительными — микроскопические грибы (Помазкина и др., 2000).

Максимальный токсический эффект ТМ на почвенные микроорганизмы проявляется в первое время после загрязнения. Происходят изменения внутри сообществ разных групп почвенных микроорганизмов. Изменения структуры почвенного микробоценоза сопровождаются сокращением видового разнообразия групп микроорганизмов, и особенно микроскопических грибов, с увеличением содержания металлов.

Загрязнение ТМ в подавляющем большинстве случаев приводит к снижению целлюлозолитической способности чернозема обыкновенного и содержания в почве свободных аминокислот. (Колесников, 1998)

1.2 Влияние промышленных предприятий на высшие растения

Растительный мир, включая леса, являются наиболее мощным природным фактором, играющим неоценимую роль в поддержании экологического равновесия. Велика пылеулавливающая роль растений. Исследования ученых в последние годы показывают, что деревья в значительном количестве аккумулируют и консервируют вредные вещества, в том числе и тяжелые металлы.

Высшая растительность играет ключевую роль в большинстве наземных экосистем. Являясь первичными продуцентами, растения определяют все природные статьи баланса вещества и энергии.

Развитие промышленности неизбежно приводит к увеличению антропогенного воздействия на естественные биоценозы, что определенным образом влияет на экологическую обстановку. Изучение влияния антропогенных факторов на растительность — одна из наиболее важных и результативных составляющих проблемы глобальности экологических процессов.

Все техногенные факторы приводят к снижению продуктивности растений и зачастую к их гибели (Алексеев, 1994; Григорьевская, 2000; Трешоу, 1998; Наумова, 1995).

Положительная роль растений в очищении почв связана с их способностью поглощать и трансформировать химические токсиканты, активизировать деятельность микробного сообщества почв, и, как следствие, интенсифицировать биохимические и химические процессы трансформации чужеродных соединений в почве. Важную роль в детоксикации поллютантов играет ризосфера растений (Назаренко, 2000).

Среди веществ-загрязнителей нефть и нефтепродукты признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Наиболее распространенным видом техногенного прессинга в районах нефтедобычи является механическое нарушение и загрязнение почвенно-растительного покрова (Елыпина, 1986).

Нефть оказывает существенное влияние на растения, вызывает изменения растительного покрова, уменьшает видовое разнообразие растений или вызывает их полное уничтожение, значительно ослабляет рост и развитие растений, отмечаются некоторые морфологические изменения отдельных органов и некрозы листьев, запаздывают фазы вегетации (Чибрин, 2004).

В решении экологических проблем, возникающих при нефтедобыче и нефтепереработке, важное место принадлежит оценке растительного покрова, которая является чутким индикатором состояния почв. В контролируемых условиях среды исследуют реакцию высших растений на воздействие различных токсикантов, в том числе нефти, о которой судят по изменению размеров надземной части растений и их корней, накоплению биомассы и ряду физиолого-биохимических показателей (Пиковский и др., 2003).

Большой вред растениям приносит и непосредственное токсическое влияние нефти. В нефтезагрязненной почве происходит отравление растений сульфидами и излишним марганцем, освобождающимся при разрушении некоторых углеводородов (Киреева и др., 2003).

Загрязнение почв нефтью сопровождается значительным изменением их химического состава. При попадании нефти в почву увеличивается содержание органического углерода в верхних горизонтах почвенного профиля до 6,1−11,2%. Средние концентрации органических веществ в слое 0−20 см возрастают в 2−3 раза (Вайперт, Вальтер, 2000).

В условиях нефтезагрязненних грунтов наземные растения способны аккумулировать большие концентрации тяжелых металлов (Усманов, 2001).

Таким образом, древесные растения могут эффективно служить объектами комплексного мониторинга состояния почвы по биологическим показателям.

Древесные растения имеют замечательную способность к аккумуляции различных вредных веществ из окружающей среды. Наиболее высокая аккумулирующая способность тяжелых металлов — свинца, меди, железа, цинка, кадмия, марганца обнаружена в листьях Populus nigra, Salix alba, Ulmus laevis, а самая низкая в листьях Sorbus acucuparia и Pinus sylvestris. (Косулина, 2001).

В условиях городской среды фитоценозы претерпевают различные изменения: идет уничтожение естественной растительности и селективное подавление отдельных видов; осуществляется интродукция новых видов деревьев, кустарников и трав; производится выборочная заготовка отдельных видов с отчуждением их биомассы; идет стихийный процесс заноса на урбанизированные территории до того не свойственных данной местности видов растений (Миркин, Сахапов, 1990).

В урбанизированной природной среде на растения оказывает воздействие целый комплекс неблагоприятных факторов. Их целесообразно рассматривать как стрессовые, к которым по Грайму, относятся все внешние воздействия, ограничивающие синтез и накопление органических веществ в растениях. Наиболее характерными для урбаноэкотопов являются следующие виды стрессов: вытаптывание; обогащение почвы тяжелыми металлами (особенно свинцом), фосфором, соединениями азота, поваренной солью, разнообразными органическими веществами; изменение газового состава воздуха с образованием аэрозолей, включающих в себя много токсических веществ; изменение микроклимата — (Колесников, 1980).

Загрязнение окружающей природной среды в условиях интенсивного антропогенного воздействия существенно изменяет структуру индустриальных фитоценозов. Так, на промышленных отвалах наблюдается постоянное «омоложение» популяций подроста сосны (Pinus) и березы (Betula) за счет отмирания подроста более старших возрастов (Косулина, 2001). Меняется возрастная структура популяций и у трав. В местах, особенно неблагоприятных для роста растений, они начинают формироваться целиком из одновозрастных особей. Растения начинают развиваться по двухлетнему циклу, вместо однолетнего. У многолетних видов овсяница луговая (Festuca pratensis) в этих условиях происходит задержка онтогенетического развития (Усманов, 2001).

Для растений урбанофлоры характерна выраженная пластичность, выступающая механизмом выживания в нестабильной природной среде городов.

Под влиянием газообразных загрязнений атмосферы, в первую очередь вблизи промышленных предприятий, страдает фотосинтетический аппарат растений: изменяются линейные размеры хлоропластов, уменьшается общий объем фотосинтетических мембран (Трешоу, 1998).

Непосредственно в районе расположения мощных промышленных (металлургических, химических, некоторых перерабатывающих) предприятий в радиусе до 2−5 км древесные растения вообще погибают, а в радиусе до 25 км наблюдаются, в зависимости от розы ветров, усыхание и ослабление деревьев. Считается, что лесные экосистемы в условиях урбанизированной среды более чувствительны к антропогенному техногенному загрязнению, чем травяные (Каплин, 2001).

В урбанизированных условиях значительно возрастает загрязнение тяжелыми металлами окружающей природной среды. Тяжелые металлы, накапливаясь в тканях растений, снижают продукционный процесс. Происходит это, в основном, из-за нарушений структуры и функционирование ассимиляционного аппарата (Лозановская и др., 2003). Аккумуляция тяжелых металлов в растениях делает последние токсичными для организмов экосистем.

Загрязнение окружающей среды является важнейшей экологической проблемой настоящего времени.

1.3 Основные факторы, влияющие на распространение и развитие водорослей Водоросли распространены по всему земному шару и встречаются в различных водных, наземных и почвенных биотопах. Известны разнообразные экологические группы этих организмов: 1) планктонные водоросли; 2) бентосные водоросли; 3) наземные водоросли; 4) почвенные водоросли; 5) водоросли горячих источников; 6) водоросли снега и льда; 7) водоросли солёных водоёмов; 8) водоросли, существующие в известковом субстрате (Вассер и др., 1989). Они играют важную роль в биосфере, участвуя в почвообразовательных процессах, в самоочищении воды и почвы, в улучшении санитарного состояния биосферы, в балансе живого вещества и кислорода, а также служат источником пищи для гетеротрофных организмов (Минибаев и др., 2003).

Водоросли — фотоавтотрофные организмы. Ведущими факторами, влияющими на их развитие, является свет, температура, наличие капельножидкой воды, а также источников углерода, минеральных и органических веществ. Факторы подразделяют на абиотические, не связанные с деятельностью живых организмов, и биотические, обусловленные такой деятельностью. Многие факторы, особенно абиотические, являются лимитирующими, т. е. способны ограничивать развитие водорослей. Жизнь организмов, в том числе и водорослей, зависит от содержания в среде обитания необходимых веществ, значения физических факторов, а также от диапазона толерантности (устойчивости) самих организмов к изменениям этих и других условий среды (Вассер и др., 1989).

Абиотические факторы Всю совокупность абиотических факторов можно разделить на химические и физические.

К химическим факторам относятся вода, солёность и минеральный состав, кислотность и биогенные вещества. Для большинства водорослей вода — постоянная среда обитания, но многие живут и вне воды. По устойчивости к высыханию среди обитающих на суше растений выделяют (по Вальтеру) пойкилогидрические, — не способные поддерживать постоянное содержание воды в тканях, и гомойгидрические — способные поддерживать постоянную гидратацию тканей.

Кислотность среды — это фактор, который имеет большое значение для жизнедеятельности водорослей.

Наличие в среде макрои микроэлементов, являющихся необходимыми компонентами тела водорослей, имеет решающее значение для интенсивности их развития. Элементы и их соединения, относящиеся к макроэлементам (макротрофные биогенные вещества), требуются организмам в сравнительно больших количествах. Особая роль среди них принадлежит азоту и фосфору. Микроэлементы имеют большое значение для жизни, поскольку входят в состав многих жизненно важных ферментов. Водоросли разных отделов имеют неодинаковые потребности в макрои микроэлементах. Так, для нормального развития диатомовых водорослей необходимы довольно значительные количества кремния, который используется для постройки их панциря (Вассер и др., 1989).

К физическим факторам относятся свет, температура. Свет необходим растению как источник энергии фотохимических реакций и как регулятор развития. Его избыток, равно как и недостаток, может быть причиной серьёзных нарушений развития водорослей. Следовательно, свет, как и вода, является лимитирующим фактором при максимальной и минимальной освещённости (Штина, Голлербах, 1976; Шарипова, 2006).

Оптимальные значения освещённости для разных видов водорослей варьируют в широких пределах. По отношению к свету выделяют гелиофильные (светолюбивые) и гелиофобные (боящиеся, избегающие яркого света) водоросли. (Баринова и др., 2006)

Диапазон температур, в котором может сохраняться жизнь, сравнительно узок: -200 — +100 С. Водоросли являются организмами, которым свойственны, пожалуй, наиболее широкие диапазоны температурной устойчивости. По отношению к температурному фактору среди водорослей выделяют: эвритермные виды, существующие в широком температурном диапазоне (например, зелёные водоросли из порядка Oedogoniales) и стенотермные, приспособленные к очень узким, иногда к экстремальным температурным зонам (Жизнь растений, 1977).

Водоросли, входя в состав экосистем, как правило, связаны с остальными их компонентами множественными связями. Претерпеваемые водорослями прямые и косвенные воздействия, обусловленные жизнедеятельностью других организмов, относят к биотическим факторам. (Вассер и др., 1989).

Хотя для большинства водорослей основной жизненной средой служит вода, в силу эвритопности этой группы организмов они успешно осваивают и разнообразные вневодные местообитания. При наличии хотя бы периодического увлажнения многие из них развиваются на различных наземных предметах — скалах, коре деревьев, заборах и т. д. Вполне благоприятной средой для обитания водорослей служит почва. Водоросли повсеместно распространены в почвах на всех этапах их формирования. Согласно классификации М. М. Голлербаха и Э. А. Штины (Голлербах, Штина, 1969), сообщества, образуемые водорослями вневодных местообитаний, подразделяют на аэрофильные, эдафофильные и литофильные с более дробным делением внутри каждой группы.

Основной жизненной средой эдафофильных водорослей является почва. Типичные местообитания — поверхность и толща почвенного слоя, оказывающая на бионтов определённое физико-химическое воздействие. В зависимости от местонахождения водорослей и их образа жизни в пределах этого типа различают три группы сообществ: наземные водоросли, массово развивающиеся на поверхности почвы в условиях атмосферного увлажнения; водно-наземные водоросли, массово разрастающиеся на поверхности почвы, постоянно пропитанной водой; почвенные водоросли, населяющие толщу почвенного слоя. Типичные условия — жизнь среди почвенных частиц под влиянием среды, очень сложной по комплексу факторов. (Вассер и др., 1989).

Почва имеет сходство и с водными и с воздушными местообитаниями: в ней есть воздух, но насыщенный водяными парами, что обеспечивает дыхание атмосферным воздухом без угрозы высыхания.

Свойством почвы является её непрозрачность. Этот фактор оказывает решающее воздействие на развитие водорослей. Интенсивное развитие водорослей как фототрофных организмов возможно только в пределах проникновения света. В целинных почвах это поверхностный слой почвы толщиной до 1 см. Однако, в толще почвы, куда не проникает свет, жизнеспособные водоросли обнаруживаются на глубине до 2 м в целинных почвах и до 2,7 м в пахотных (Штина, 1977). Это объясняется способностью некоторых водорослей переходить в темноте к гетеротрофному питанию. Многие водоросли сохраняются в почве в покоящем состоянии.

В глубоких слоях почвы обнаруживается сравнительно небольшое число видов водорослей. Для поддержания своей жизнедеятельности почвенные водоросли должны иметь способность к перенесению неустойчивой влажности, резких колебаний температуры и сильной инсоляции. Эти свойства обеспечиваются у них рядом морфологических и физиологических особенностей. Например, отмечено, что почвенные водоросли имеют относительно мелкие размеры в сравнении с соответствующими водными формами тех же видов (Штина, Голлербах, 1976; Дубовик 1995; 2000). С уменьшением размеров клеток возрастают их водоудерживающая способность и устойчивость против засухи. Важную роль в засухоустойчивости почвенных водорослей играет способность к обильному образованию слизи — слизистых колоний, чехлов и обверток, состоящих из гидрофильных полисахаридов, а также к ослизнению клеточных оболочек. Благодаря наличию слизи, водоросли быстро поглощают воду при увлажнении и запасают её, замедляя высыхание. Поразительную жизнеспособность демонстрируют почвенные водоросли, хранящиеся в воздушно-сухом состоянии в почвенных образцах (Голлербах, Штина, 1969; Кузяхметов, Дубовик, 2001).

Характерной чертой почвенных водорослей является «эфемерность» их вегетации — способность быстро переходить из состояния покоя к активной жизнедеятельности и наоборот. Они также способны переносить разные колебания температуры почвы. Диапазон выживаемости ряда видов лежит в пределах от -200 до +84 °С и выше. Почвенные водоросли (преимущественно синезеленые) обладают устойчивостью против ультрафиолетового и радиоактивного излучения.

Распространение водорослей в почвах определяется её водным и солевым режимом, температурой, значением рН, составом наземной растительности.

По систематическому составу почвенные водоросли довольно разнообразны. В наибольшем количестве видов и в примерно равных соотношениях среди них представлены синезеленые и зелёные водоросли. Менее разнообразны, но также характерны для почв представители отделов Xanthophyta и Bacillariophyta. Известны отдельные находки в почвах эвгленовых, золотистых, пирофитовых, красных водорослей. Систематический состав альгофлоры почв весьма специфичен. Наряду с видами, широко распространёнными в водных местообитаниях, в почвах развиваются и формы, не встречающиеся в воде (например, Chlorococcum humicola, Bumilleria sicula, ряд видов родов Protosiphon, Botrydium, Botridiopsis) (Голлербах, Штина, 1969; Вассер и др., 1989). Одной из ярких флористических особенностей эдафофильных сообществ является видовое разнообразие жёлтозелёных, на долю которых приходится в среднем 12%, а в лесных почвах — до 24% общего числа видов (Алексахина, Штина, 1984). В водоёмах жёлтозелёные водоросли составляют обычно 1−3% общего числа видов.

Водоросли являются источником разнообразных химических соединений, выделяемых в окружающую среду. В том числе биологически активных веществ. Оказывая регулярное воздействие на развитие других организмов, они участвуют в процессах формирования гидрои геобиоценозов, влияют на органолептические показатели воды, на формирование качества природных вод и почвы. Обогащая воду кислородом, необходимым для жизнедеятельности аэробных бактерий, водных грибов и других организмов — активных агентов самоочищения загрязнённых естественных вод, многие виды водорослей вместе с тем принимают непосредственное участие в утилизации некоторых органических соединений, солей тяжёлых металлов, радионуклидов, очищая, облагораживая окружающую среду (Кабиров, 1991).

В наземных местообитаниях водорослям наряду с другими микроорганизмами принадлежит роль пионеров растительности, они участвуют в формировании примитивных почв на территориях, лишённых растительного покрова. В сформированных почвах, эти в большинстве случаев микроскопические организмы способны образовывать значительное количество органического вещества (Голлербах, Штина, 1969). Многие синезеленые водоросли способны фиксировать молекулярный азот (Панкратова, 1981). Повсеместное распространение водорослей, помимо их выносливости, достигается их большой скоростью размножения и представляет яркий пример явления, который Вернадский (1967) назвал растеканием живого вещества на земной поверхности. Рассмотренные свойства водорослей являются очень важными с точки зрения противостояния эрозионным процессам (Дубовик, Минибаев, 1981; Штина, 1998). Кроме непосредственного влияния водорослей на эрозионные процессы обнаруживается их весьма ценное косвенное действие — биологическое закрепление удобрений, смываемых с полей (Штина, Голлербах, 1976). Таким образом, почвенные водоросли как продуценты оказывают существенное воздействие на плодородие почв. Большая часть углерода, входящая в их состав, удерживается почвой в виде гуминовых кислот и фульвокислот. Доказано, что водоросли способны обеспечить 4,3−15% потребности высших растений в азоте (Панкратова, 1981).

Водоросли широко используются как индикаторные организмы. Растущая урбанизация приводит к промышленному загрязнению окружающей среды, которое является наиболее опасным для природы. Деятельность человека оказывает прямое и косвенное влияние на все природные сообщества. Поэтому с помощью системы регулярных наблюдений можно оценить и прогнозировать изменения состояния экосистем (Кабиров, 1995).

Многочисленные данные свидетельствуют о том, что водоросли могут служить тест-объектами как при определении потребности почвы в удобрениях, так и при испытании различных пестицидов, в частности оценки остаточной токсичности гербицидов в почве (Минибаев, кузяхметов, Кабиров, 1996). Отмечена связь между развитием некоторых видов водорослей и отдельными факторами почвенной среды — влажностью, значением рН и др.

Перестройка альгоценоза, обеднение его видового состава, изменение численности водорослей в почве может служить показателем стойкого загрязнения почвы фитотоксическими веществами. Известно, что численность водорослей в почве отражает динамику элементов питания, а по их видовому составу можно судить о выходе эдафических факторов за пределы толерантности (Некрасова, 1987).

2. Характеристика Белорецкого района Белорецкий район, самый крупный в Республике Башкортостан, образован в 1930 году. Расположен в восточной части Южного Урала. Территория района —11,5 тыс. кв. км. На севере район граничит с Челябинской областью, на востоке — с Учалинским, на западе — с Архангельским, Гафурийским, Ишимбайским районами. Административный центр района — г. Белорецк.

Район входит в горно-лесную зону и отличается низкогорным и среднегорным рельефом. Хребты имеют абсолютную высоту в пределах 1000−1600, относительную — 600−1000 метров. Район представляет самую богатую лесами территорию республики. Леса занимают 81,4% всей площади района, или 17,4% от площади Государственного лесного фонда республики (1 044 883 гектаров): центральная, наиболее высокая часть, покрыта преимущественно хвойными лесами на подзолистых и оподзоленных скелетных почвах, с запада к ней примыкает расположенный ниже пояс широколиственных лесов, с востока — сосново-березово-лиственничные леса на серых лесных почвах.

Климат континентальный: зима продолжительная и холодная (среднемесячная температура — минус 16,5°С, абсолютный минимум — минус 47°С), лето жаркое и сухое (среднемесячная температура — плюс 14,6°С, абсолютный максимум — плюс 38°С). Количество осадков — 482 мм в год, из них на летний период приходится 378 мм.

На территории района берут начало реки Белая, Инзер, Юрюзань, Зилим. Густота речной сети составляет от 1 до 2 км на один кв. км площади. Большинство рек мелководные, с каменистым дном. Здесь находятся известные Ассинские минеральные источники хлоридно-натриево-кальциевого типа.

В бассейне реки Белой и ее притоков обитает около 40 видов рыб. Современная ихтиофауна включает щуку, налима, плотву, ерша, окуня, подуса, хариуса. Животный мир района представлен многими лесными и таежными видами. Среди них — ценные промысловые: белка, бурый медведь, лисица, заяц-беляк, лось, рябчик, тетерев, глухарь.

Район располагает основными запасами железных руд республики, нерудным сырьем для черной металлургии. Выявлены залежи россыпного золота, флюорита.

2.1 История возникновения и развития Белорецкого металлургического комбината Белорецкий металлургический комбинат — одно из старейших металлургических предприятий страны. Комбинат расположен на Южном Урале в промышленном регионе с высоким экономическим и сырьевым потенциалом. История предприятия началась в 1762 году, когда горнозаводчики И. Б. Твердышев и И. С. Мясников построили железоделательный завод в излучине реки Белой. Железо, выплавленное на древесном угле из чистых руд, пользовалось спросом во всём мире.

В 1926 году Белорецкий завод получил статус всесоюзного центра изготовления стальной проволоки. К концу 1930;х годов завод выпускал треть всей стальной проволоки, производимой в СССР, и стал крупнейшим производителем метизов в Европе. К концу 1941 года мощность сталепроволочного завода возросла вдвое, он сделался ведущим предприятием страны по обеспечению оборонных заводов стальными проволокой и канатами. В военные годы был освоен выпуск новых марок сталей и проката, необходимых для фронта. В послевоенные годы обновлялось канатное и волочильное оборудование, осваивалось производство новых изделий. В 1961 году вошёл в строй первый в стране цех по производству металлокорда для армирования шин. В 1970 году введён в эксплуатацию цех легированной проволоки. В 1980 году высокоавтоматизированный проволочный стан 150.

Сегодня комбинат расширяет свои позиции на рынке метизов в жёсткой конкурентной борьбе.

На долю ОАО «БМК» приходится 12% метизов, выпускаемых в России, в год производится до 560 тыс. тонн катанки и 360 тыс. тонн метизов. Потребителями продукции комбината являются более 3000 предприятий и организаций страны, в числе которых постоянные клиенты «АвтоВАЗ», «КамАЗ», РАО «ЕЭС», «Газпром». Более трёх десятков стран мира хорошо знают продукцию комбината, о высоком качестве которой свидетельствуют многочисленные отечественные и зарубежные оценки, подтверждённые многочисленными наградами.

В процессе интеграции в металлургической отрасли ОАО «БМК» вошёл в холдинг «Стальная группа Мечел», в результате чего достигнута полная загрузка прокатного стана. Значительно повысилась эффективность использования мощностей сталепроволочно-канатного производства. В ближайших планах — модернизация и реконструкция сталепроволочно-канатного производства, главной целью которой является переход на выпуск более рентабельной продукции с лучшими потребительскими свойствами.

Комбинат имеет 42 цеха, представляющие горнорудное (поселок Тукан, основан в 1888 году), металлургическое (1762), листопрокатное (поселок Тирлян), сталепроволочно-канатное (1912 г.) производства. Работают 51механизированных и 40 автоматизированных поточных линий, металлорежущие станки с ЧПУ. В 1980 году пущен комплексно-механизированный прокатный цех номер 2 с современным непрерывным проволочным станом. Ежегодно (в тыс. тонн) добывается железной руды 200; выплавляется чугуна 200; стали (более 150 марок) 350; производится готового проката 560; изделий из металла 280, в т. ч. проволоки стальной 205; канатов стальных 580, металлокорда 3,2, лент и профилей стальных 11,3, проволоки из прецизионных сплавов 0,48. Ассортимент продукции БМК составляет 35 тыс. наименований. Она поставляется в большинство регионов Российской Федерации. Прокат черных металлов, проволока, канаты экспортируются в 22 государства.

Основные виды продукции: катанка горячекатаная круглая диаметром от 5,5 до 16, 0 мм; прокат калиброванный диаметром от 6,0 до 11,5 мм; проволока из углеродистых, легированных сталей диаметром от 30 микрон до 11,5 мм; канаты стальные светлые и оцинкованные из нержавеющих сталей диаметром от 0,55 до 65,0 мм; лента стальная из углеродистых нержавеющих сталей и сплавов; гвозди; сопротивления различных диаметров и сочетаний, товары народного потребления.

На комбинате впервые в отечественной практике освоены сталь подшипниковая, выплавленная мартеновским способом; сталь двойного переплава марки БП (белорецкая первородная); проволока высоколегированная нержавеющая пружинная, высокопрочная арматурная, канатная оцинкованная, из прецизионных сплавов; металлокорд для армирования автомобильных и авиационных шин; канаты высокопрочные и др. Награжден орденом Трудового Красного Знамени (1966 г.), международными призами: «Золотой Глобус» за высокие показатели бизнеса (Копенгаген, Восточный фонд развития, 1993 г.), «Золотая звезда» за имидж компании (Мадрид, 18-й Всемирный конгресс бизнесменов, 1993 г.); Европейский приз качества за качество и стабильность поставок экспортной продукции (Париж, Клуб лидеров торговли, 1994 г.) В 1994 году преобразован в АО Белорецкий металлургический комбинат.

Белорецкий металлургический комбинат совместно со швейцарско-итальянской фирмой СИТКО и итальянской фирмой НОВОМЕТАЛЛ имеет зарегистрированное в Швейцарии совместное предприятие БЕЛФЕР, которое занимается экспортом металла за рубеж. Комбинат имеет собственное представительство в Швейцарии. Деловые партнёры оказывают техническую помощь в реконструкции и привлечении инвестиций. Здесь, на Урале, имеется возможность выплавлять металл высочайшего качества, способный конкурировать с продукцией сталелитейных фирм Германии, Англии, Франции и других стран. С момента образования совместного предприятия, Белорецкому комбинату в нем принадлежала только одна треть акций, но по мере увеличения экспорта металла к нему постепенно переходит контрольный пакет.

В рамках программы реконструкции металлургической части Белорецкого металлургического комбината создан проект обновления сталеплавильного производства. Предусматриваются изменение устаревшего способа выплавки и сифонной разливки стали и установка нового для комбината оборудования: энергооптимизированной дуговой сталеплавильной электропечи емкостью 70 тонн, печи-ковша для внепечной обработки и доводки стали, агрегата для непрерывной разливки стали в литую заготовку сечением 200×200 миллиметров.

Общий объем капитальных вложений составит 65,265 миллиона долларов США. Финансирование проекта будет производиться за счет собственных средств ОАО «Белметкомбинат», привлекаемых инвестиционных ресурсов и мер государственной поддержки, что позволит сократить сроки ввода в строй новых мощностей. После ввода сталеплавильного производства в эксплуатацию на комбинате ежегодно будет производиться 600 тысяч тонн жидкой стали, 580 тысяч тонн литой заготовки, 560 тысяч тонн готового проката, 256 тысяч тонн метизов «Мечел» — высокоэффективная интегрированная горнодобывающая и металлургическая компания, специализирующаяся на производстве угля, железной руды, никеля и продукции из стали.

2.2 Утилизация отходов производства на Белорецком металлургическом комбинате Отходы производства: FeSO₄, FeCl, бур, известь, фосфаты, серная кислота, соляная кислота, соли никеля, хром, марганец, цинк. От сжигания газового топлива образуются оксиды углерода, азота, бенз (а)пирен. По данным лаборатории охраны водного и воздушного бассейнов при Белорецком Металлургическом Комбинате выбросы в атмосферу вредных веществ не превышают ПДВ. В соответствии с методикой определения класса опасности отходов, отходы Белорецкого Металлургического Комбината относят к IV классу опасности.

В процессе производства образуются окалина и металлолом. Они отправляются на главное предприятие (Мечел) для переработки — не поступают в окружающую среду.

Проволока с покрытием латунная и цинковая. В процессе горячего цинкования образуется цинковая известь и гартцинк на поверхности свинцового сплава.

Отходы цветной металлургии сдаются на склад.

Среди отходов производства есть свинцовый глет — окислы свинца.

Процесс производства.

1. Сначала в цеха поступает катанка. Идет подготовка. Травится в серной кислоте, окалина с поверхности проволоки растворяется.

2. Нанесение подсмазочного слоя для волочения. Может быть стадия химического меднения — замещения железа на медь. Может быть бурирование и известкование.

3. Термообработка на печах различной конструкции в зависимости от назначения проволоки. Термоплавильные агрегаты имеют непрерывные циклы. Термообработка потенцирование Травление нанесение подсмазочного слоя. Термоцинковальные агрегаты — те же процессы: Термообработка потенцирование Травление идет во флюс расплав цинка проволока с оцинкованной поверхностью.

В результате работы термоплавильного, травильного, термоцинковального и гальванического агрегатов образуются кислотожелезосодержащие сточные воды, которые направляются на станции нейтрализации.

Таким образом, для очистки сточных вод существует станция нейтрализации и отдельные локальные очистные сооружения для цеха № 16. Сточные воды нейтрализуются известковым молоком. Негашеная известь СаО подвергается гашению, затем подается на нейтрализацию кислотожелезо-содержащих сточных вод. Сточные воды смешивают с известковым молоком и подают в камеры реакции, происходит переход

Fe^II Fe^III.

FeCO₄ Fe (OH)₂.

Для улучшения способности осаждения железо переводят в трехвалентную форму путем подачи воздуха. Вода распределяется на осветлителях горизонтального типа с взвешенным слоем осадков.

В результате нейтрализации образуется шлам, содержащий от 60 до 80% гипса CaCO₄(H₂O)₂, гидроксиды металлов, 18−38% гидроксиды железа.

Этот шлам откачивается на объекты длительного хранения отходов: шламнакопитель СПКП и шламнакопители 1,4,6,11,12,16-го цехов. Объекты длительного хранения представляют собой яму с глинистым экраном (нет специального покрытия). Отходы находятся под слоем воды, эта вода отстаивается и потом сбрасывается в р. Белую (отходы гипса и металла).